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強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合!北京大學(xué)占肖衛(wèi)教授/華南理工大學(xué)吳宏濱教授等合作,最新Nature系列綜述!

時(shí)間:2024-06-05 來(lái)源: 瀏覽:

強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合!北京大學(xué)占肖衛(wèi)教授/華南理工大學(xué)吳宏濱教授等合作,最新Nature系列綜述!

高分子科學(xué)前沿
高分子科學(xué)前沿

Polymer-science

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根據(jù)組成光活性材料的屬性,光伏技術(shù)可分為無(wú)機(jī)光伏技術(shù)、有機(jī)光伏技術(shù)(OPV)和有機(jī)-無(wú)機(jī)混合光伏技術(shù)。有機(jī)光伏技術(shù)具有柔性、半透明、高功率密度和通過(guò)印刷工藝大面積制造等優(yōu)點(diǎn),因此在建筑一體化或車(chē)載一體化光伏技術(shù)、"物聯(lián)網(wǎng) "設(shè)備和可穿戴電子設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用。由于富勒烯及其衍生物具有高電子親和力、高電子遷移率和各向同性電荷傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn),因此一直是最廣泛使用的 OPV 受體。然而,富勒烯的一些固有缺點(diǎn)--如弱的可見(jiàn)光和近紅外(NIR)吸收以及較大的激子結(jié)合能--使基于富勒烯的 OPV 的效率限制在 13%左右。因此,業(yè)界開(kāi)始更加努力地研究非富勒烯受體。 經(jīng)過(guò)二十年的探索,非富勒烯受體現(xiàn)已成為 OPV 的新主流受體,其效率超過(guò) 20% ,接近最先進(jìn)的晶體硅光伏技術(shù)。在非富勒烯受體和相關(guān)設(shè)備中發(fā)現(xiàn)了新的物理性質(zhì)、不尋?,F(xiàn)象和關(guān)鍵機(jī)制,這些都有助于實(shí)現(xiàn) OPV 技術(shù)的進(jìn)步。

在此, 北京大學(xué) 占肖衛(wèi)教授 聯(lián)合華南理工 吳宏濱教授 和麥克迪爾米德先進(jìn)材料與納米技術(shù)研究所的 Justin M. Hodgkiss 共同 總結(jié)了基于非富勒烯受體的 OPV 的光物理和器件物理,重點(diǎn)比較了富勒烯和非富勒烯受體中影響器件性能的物理過(guò)程 。 作者討論了 OPV 中激子產(chǎn)生、擴(kuò)散、傳輸和分離以及電荷重組的過(guò)程,并介紹了對(duì)基于非富勒烯受體的 OPV 物理的最新解釋?zhuān)芯苛蓑?qū)動(dòng)能量如何影響激子分離以及電荷重組如何影響電壓損耗。 綜合這些機(jī)制, 作者提出了將電壓損耗降至最低的策略,并討論了未來(lái)在 OPV 基本原理和性能方面的研究方向和挑戰(zhàn),包括基于非富勒烯受體的 OPV 的新工作模式 。相關(guān)成果以“Physical insights into non-fullerene organic photovoltaics”為題發(fā)表在 《Nature Reviews Physics》 上,第一作者為 王嘉宇謝源Kai Chen 為共同一作。
OPV 基本原理
作者首先介紹了OPV的基本原理: 在OPV中,本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)是通過(guò)將電子供體(p型)和電子受體(n型)混合在納米級(jí)雙連續(xù)互穿網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建的,以促進(jìn)光激發(fā)產(chǎn)生的激子(電子-空穴對(duì))在供體-受體界面的有效擴(kuò)散和分離,從而產(chǎn)生光電流 。這種效應(yīng)得益于有機(jī)半導(dǎo)體中激子的特性,如低介電常數(shù)導(dǎo)致的強(qiáng)庫(kù)侖束縛和由于材料無(wú)序性限制的激子擴(kuò)散距離。本體異質(zhì)結(jié)的引入有效解決了這一挑戰(zhàn),使其成為OPV中有源層最受歡迎的架構(gòu)之一。光電流的產(chǎn)生涉及激子的形成、擴(kuò)散、分離、電荷傳輸和收集的過(guò)程,其中激子首先解離成單線態(tài)電荷轉(zhuǎn)移態(tài),然后分離成自由電荷載流子,最終通過(guò)非輻射過(guò)程衰變回基態(tài)。
受體角色:從1995年到2015年,富勒烯及其衍生物因具有高電子親和力、高電子遷移率和優(yōu)良的電荷傳輸性能而在OPV中作為電子受體占主導(dǎo)地位。然而,富勒烯存在的問(wèn)題,如對(duì)低能電子躍遷的禁止導(dǎo)致的較弱的可見(jiàn)光和近紅外吸收、高激子結(jié)合能等,限制了其功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)理論上限至約13%。為克服這些問(wèn)題,開(kāi)始探索非富勒烯受體,盡管初期多數(shù)嘗試未能成功。 2007年,基于萘嵌苯二酰亞胺的聚合物的合成開(kāi)啟了非富勒烯受體系統(tǒng)的成功發(fā)展,尤其是2015年以后,如ITIC和稠環(huán)電子受體(FREA)等新受體的發(fā)明標(biāo)志著重大突破。 FREA展現(xiàn)了強(qiáng)烈的可見(jiàn)光和近紅外吸收、促進(jìn)激子解離的能級(jí)彎曲以及優(yōu)良的電荷傳輸性能,因其理想的物理特性和關(guān)鍵機(jī)制,基于FREA的OPV在串聯(lián)器件中實(shí)現(xiàn)了超過(guò)20%的高PCE,展現(xiàn)了非富勒烯受體在OPV效率提升中的巨大潛力。
圖:異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)及工作機(jī)制
激子產(chǎn)生
光敏材料的吸收特性是激子產(chǎn)生的關(guān)鍵因素,而在非富勒烯受體中,這些特性可以通過(guò)化學(xué)修飾其分子結(jié)構(gòu)來(lái)輕松調(diào)節(jié) 。這包括增加共軛長(zhǎng)度、促進(jìn)分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移以減少光學(xué)帶隙,通過(guò)調(diào)整共軛稠環(huán)的長(zhǎng)度、組成、對(duì)稱(chēng)性,以及修改端基、引入π橋和改變側(cè)鏈等手段。非富勒烯受體展現(xiàn)出強(qiáng)烈的可見(jiàn)光和近紅外吸收(波長(zhǎng)范圍600-950nm),光學(xué)帶隙在1.1到1.8eV之間,具有超高摩爾消光系數(shù)。其分子聚集模式,包括J型和H型聚集,影響著吸收特性及激子的產(chǎn)生。非富勒烯受體的光學(xué)性質(zhì)還受到長(zhǎng)程庫(kù)侖耦合和分子間電荷轉(zhuǎn)移相互作用的影響,在薄膜中形成的各種堆積簇展示出與溶液狀態(tài)相比紅移和展寬的光譜,促進(jìn)了近紅外區(qū)域的全色吸收和高效OPV性能。此外, 非富勒烯受體的π延伸和剛性結(jié)構(gòu)有助于密集的分子堆積和強(qiáng)電子耦合,減少重組能,賦予其獨(dú)特的光物理特性 ,如超快熒光光譜,與其固態(tài)中的快速熒光發(fā)射相匹配,從而優(yōu)化了光電轉(zhuǎn)換效率。
圖1:供體和受體的分子結(jié)構(gòu)
激子擴(kuò)散和傳輸
相較于富勒烯受體,非富勒烯受體展現(xiàn)出更大且純度更高的域,范圍從20nm到50nm, 但要實(shí)現(xiàn)高效的非富勒烯受體OPV,關(guān)鍵在于克服有機(jī)發(fā)色團(tuán)在中帶隙或低帶隙中短固有激子壽命的挑戰(zhàn) 。通過(guò)各種研究,已經(jīng)證實(shí)非富勒烯受體具備優(yōu)異的激子傳輸特性,如高激子擴(kuò)散系數(shù)和長(zhǎng)激子擴(kuò)散長(zhǎng)度,以及通過(guò)長(zhǎng)程共振能量轉(zhuǎn)移的新路徑進(jìn)行激子傳輸。非富勒烯受體,如FREA和IDIC,顯示出相較于傳統(tǒng)富勒烯受體更高的激子擴(kuò)散系數(shù)。這些特性歸因于幾個(gè)關(guān)鍵因素,包括低重組能、由于晶體堆積而導(dǎo)致的低能量無(wú)序以及共振能量轉(zhuǎn)移的良好光譜自重疊。 研究還揭示了非富勒烯受體中激子擴(kuò)散長(zhǎng)度與分子結(jié)構(gòu)和堆積之間的密切關(guān)系,強(qiáng)調(diào)了共軛核的剛性、良好的晶體堆積及供體和受體官能團(tuán)間耦合的重要性 。非富勒烯受體的強(qiáng)近紅外吸收特性及與供體材料的良好光譜重疊進(jìn)一步促進(jìn)了從供體到受體的高效長(zhǎng)程能量轉(zhuǎn)移,為OPV中的激子傳輸和電荷產(chǎn)生提供了有利途徑,同時(shí)減少了材料選擇和組合的限制,支持了更粗糙的體異質(zhì)結(jié)構(gòu)態(tài)和厚有源層的實(shí)現(xiàn),為基于非富勒烯受體的OPV帶來(lái)了顯著的效率提升。
圖2:非富勒烯受體的激子產(chǎn)生和擴(kuò)散特性
激子分離
與基于富勒烯的OPV相比,基于非富勒烯受體的OPV在激子分離機(jī)制上顯示出不同特點(diǎn)。在富勒烯系統(tǒng)中,電子轉(zhuǎn)移主導(dǎo)激子分離過(guò)程,得益于供體材料的強(qiáng)可見(jiàn)光吸收 。而在非富勒烯系統(tǒng)中,有效的空穴從非富勒烯受體向供體轉(zhuǎn)移則更為顯著,這一變化歸因于激子向非富勒烯受體的遷移傾向以及由供體和受體間的能量學(xué)細(xì)節(jié)控制的獨(dú)特激子瞬態(tài) 。光電流的產(chǎn)生過(guò)程在這兩種系統(tǒng)中也呈現(xiàn)不同的時(shí)間尺度,從亞皮秒到皮秒不等。在聚合物供體激發(fā)時(shí),富勒烯的高溶解度和分子間的嵌入潛力促使光電流快速產(chǎn)生,而非富勒烯系統(tǒng)中,光電流產(chǎn)生跨越了更寬的時(shí)間尺度,從數(shù)十到數(shù)百皮秒。這表明在非富勒烯系統(tǒng)中,激子傳輸和電荷轉(zhuǎn)移的動(dòng)力學(xué)受到聚合物-非富勒烯混合物中形態(tài)的顯著影響,非富勒烯受體的結(jié)晶度強(qiáng)和相分離傾向大,導(dǎo)致形成更純凈的供體和受體相,這在很大程度上控制了光電流產(chǎn)生過(guò)程。作者接下來(lái)又從驅(qū)動(dòng)電荷轉(zhuǎn)移能量和電荷轉(zhuǎn)移激子的解離來(lái)探討。
圖3基于非富勒烯受體的器件中的激子分離
電荷復(fù)合和電壓損失
OPV性能受到電荷復(fù)合、提取和電壓損失的限制,其中電荷以雙分子方式重組,特別是在基于非富勒烯受體的高效共混物中,預(yù)計(jì)有較高的雙分子復(fù)合系數(shù)和有效遷移率。有效的電荷提取通過(guò)限制有源層厚度來(lái)克服電荷復(fù)合,產(chǎn)生最佳電流密度和填充因子。 非富勒烯OPV還表現(xiàn)出較低的能量無(wú)序和Urbach能量,有助于最小化陷阱輔助復(fù)合和減少VOC損失 。不同非富勒烯受體混合物展現(xiàn)出不同的電荷復(fù)合行為和能量無(wú)序,影響VOC的溫度依賴(lài)性和整體效率。盡管電荷分離效率高,富勒烯和非富勒烯OPV中電壓損失仍然顯著,但使用Y系列受體的非富勒烯OPV設(shè)備已經(jīng)顯著降低了VOC損失,推動(dòng)了效率的突破。電壓損失的分析涉及考慮電荷轉(zhuǎn)移態(tài)的能量、電荷復(fù)合以及非輻射復(fù)合導(dǎo)致的VOC損失。解決非富勒烯OPV性能限制的策略包括優(yōu)化分子設(shè)計(jì)以減少激子解離的能量偏移,增強(qiáng)分子間相互作用,并通過(guò)分子設(shè)計(jì)和第三組分的添加來(lái)降低重組能和電子-聲子耦合,以提高輻射效率和減少VOC的非輻射損失。
圖4 :三態(tài)電子振動(dòng)模型、非輻射電壓損失和受體的光致發(fā)光量子產(chǎn)率
展望
近年來(lái),非富勒烯受體的出現(xiàn)極大地推動(dòng)了有機(jī)光伏(OPV)技術(shù)的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)了超過(guò)20%的突破性功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)。這些非富勒烯受體,特別是FREA,因其剛性的分子結(jié)構(gòu)和廣泛的π電子離域,促進(jìn)了在薄膜中的有序堆疊和強(qiáng)電子耦合,導(dǎo)致了近紅外區(qū)域的全色吸收、有效的激子擴(kuò)散和電荷傳輸。這些特性也有助于降低重組能和能量無(wú)序,減少電壓損耗,提高PCE。非富勒烯受體展現(xiàn)出強(qiáng)大的可見(jiàn)光和近紅外吸收,與供體的光致發(fā)光良好重疊,促進(jìn)了快速的長(zhǎng)程能量轉(zhuǎn)移,使空穴轉(zhuǎn)移成為主導(dǎo)的激子分離機(jī)制。這種機(jī)制,結(jié)合低能量無(wú)序和受抑制的亞帶隙態(tài),為降低電壓損耗和提高PCE開(kāi)辟了新途徑。未來(lái),通過(guò)深入研究非富勒烯受體的物理學(xué)、優(yōu)化分子設(shè)計(jì),以及探索三元和串聯(lián)策略,OPV的效率有望進(jìn)一步提高,實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。
作者簡(jiǎn)介
占肖衛(wèi)北京大學(xué)博雅特聘教授、博士生導(dǎo)師、光電子材料研究所所長(zhǎng)、高分子化學(xué)與物理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任 。長(zhǎng)期從事有機(jī)高分子光電功能材料和器件研究。在非富勒烯受體太陽(yáng)能電池領(lǐng)域做出了開(kāi)創(chuàng)性和引領(lǐng)性貢獻(xiàn),開(kāi)創(chuàng)了被領(lǐng)域譽(yù)為“劃時(shí)代”的“稠環(huán)電子受體”材料體系。以“明星分子”ITIC為代表的稠環(huán)電子受體開(kāi)啟了有機(jī)光伏領(lǐng)域的“非富勒烯時(shí)代”,20余個(gè)國(guó)家350余個(gè)研究組在有機(jī)光伏等諸多領(lǐng)域使用稠環(huán)電子受體。 在Nature子刊, Journal of the American Chemical Society, Advanced Materials, Energy & Environmental Science等國(guó)際期刊上發(fā)表論文390余篇 。所發(fā)表論文被引用53,300余次(Google Scholar),單篇引用超過(guò)1000次的論文9篇,8篇論文入選中國(guó)百篇最具影響國(guó)際學(xué)術(shù)論文。出版專(zhuān)著1本(科學(xué)出版社),為英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)、Wiley(4)和科學(xué)出版社(4)撰寫(xiě)專(zhuān)著9章。研究成果被Science, Chemical & Engineering News, MRS Bulletin, ACS Noteworthy Chemistry, Materials Views等報(bào)道評(píng)述。論文被Accounts of Chemical Research, Chemical Society Reviews, Advanced Materials等著名期刊選為封面。申請(qǐng)國(guó)際發(fā)明專(zhuān)利9件和中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利34件。在國(guó)際國(guó)內(nèi)重要學(xué)術(shù)會(huì)議做大會(huì)報(bào)告、主旨報(bào)告、邀請(qǐng)報(bào)告100余次,擔(dān)任組委會(huì)成員30余次。
吳宏濱 教授、博導(dǎo)(碩導(dǎo));國(guó)家杰出青年基金獲得者; 教育部長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授 。在有機(jī)/聚合物電致發(fā)光器件、太陽(yáng)電池和光探測(cè)器領(lǐng)域取得顯著成果,獲科技部“中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”認(rèn)可,論文多次入選“中國(guó)百篇最有影響力科學(xué)研究論文”,并獲“青年拔尖人才支持計(jì)劃”、“科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才計(jì)劃”榮譽(yù),以及教育部?jī)?yōu)秀成果一等獎(jiǎng)和國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。2014-2020年中五年被評(píng)為湯森路透“高被引科學(xué)家”。在Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society、Chemical Society Reviews、Advanced Functional Materials、等世界知名雜志上,發(fā)表學(xué)術(shù)論文240余篇。論文總引用超16000次,最高單篇引用3100次,被《自然》、《科學(xué)》等權(quán)威雜志正面引用超50次。
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