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闵杰课题组发现高效单分子层太阳能电池的合成新策略

作者:     点击:      时间:2019-09-10

近期,《Angewandte Chemie》在线发表了高等研究院闵杰课题组团队关于构建D-A型高效单分子层太阳能电池的研究成果。

论文题目为《A New Oligothiophene-Fullerene Molecule with a Balanced Donor-Acceptor Backbone toward High Performance Single-Component Organic Solar Cells(《一种新型D-A骨架的高效单分子层太阳能电池,2019,DOI: 10.1002/ange.201908232》)。高等研究院为第一署名单位/通讯单位,2017级硕士研究生王伟为第一作者,闵杰研究员为通讯作者。

有机太阳能电池因其成本低,质轻,可制成柔性器件等优点,成为近年来研究的热点。目前基于体异质结太阳能电池效率已超过16%,但体异质结纳米尺度下的形貌难以调节,且其对环境(光、热、水、氧等)特别敏感,严重阻碍了其商业化进程。而单分子层因其活性层只含有一种物质,为稳定的均一相,具有极其优秀的稳定性而获得人们普遍关注。但是单分子层太阳能电池的效率远远落后于体异质结太阳能电池。在单分子层材料设计时,一般只考虑给/受体物理化学性质,以保证吸收互补,能级匹配等,而给/受体比例几乎不受关注。

在该工作中,我们调节给/受体部分的比例,将单个给体Rh-OH与单个PC71BM连接,构建出新型的D-A骨架的单分子层材料, Rh-PC71BM,其合成的路线如图1所示。

图1. Rh-PC71BM的合成路线

同时,基于该单分子材料制备了有机光伏器件,其能量转换效率为3.22%(如图2所示),为目前小分子单分子层太阳能电池的最高效率。

图2.基于Rh-PC71BM器件的J-V曲线

本研究为构建高效的小分子单分子层太阳能电池提供了一种新的设计思路,可以通过给/受体比例调节,对活性层的微观形貌进行调节,获得更加平衡的电荷迁移率,提高填充因子,从而提高单分子层太阳能电池的效率。

该工作得到了国家自然科学基金的资助,也得到了上海有机所有机氟化学重点实验室、郑州大学材料成型重点实验室、北京分子科学国家研究中心的支持。