港理工于涵&港科大顏河&北化張志國等人《Adv. Sci.》：Y-type二聚體實現(xiàn)高效率二元室內有機光伏器件！

目前，隨著國家物聯(lián)網(wǎng)跟智能工廠的不斷完善，室內光伏產(chǎn)業(yè)(IPVs)越來越受到學術界和工業(yè)界的密切關注。室內有機光伏技術（IOPV）作為一種適用于物聯(lián)網(wǎng)的能源供應方案，近年來在室內LED的光照條件下已實現(xiàn)了超30%的光電轉換效率，初步達到了工業(yè)生產(chǎn)的基本性能要求。然而，目前，高性能IOPV大多是由共軛聚合物給體（PDs）與小分子受體（SMAs）的常規(guī)組合方式所實現(xiàn)的。然而，這種類型的IOPV存在一個關鍵的局限性：由于小分子受體（SMAs）具有較低的玻璃化轉變溫度（Tgs），其快速擴散的特性可能導致混合膜結構容易發(fā)生變化，對器件長期穩(wěn)定性造成不良影響。因此，開發(fā)具有更高Tg和更優(yōu)良結晶度的受體材料是解決以上困境的必要之舉。

近期，來自香港理工大學、香港科技大學及北京化工大學的學者們報道了一種新穎的小分子二聚化設計思路，通過將兩個烷氧側鏈基Y-type單體用一個剛性的乙烯基鏈接體連接起來，合成了兩種具有吸收譜藍移性質的二聚體，即DY4FO-V 和 DY6FO-V，同時提高了 IOPV 的效率和穩(wěn)定性。

結果顯示，兩種新型二聚體在 PM6:Acceptor基器件中均表現(xiàn)出 1.00 V 的高開路電壓，是在基于Y-type 二聚體的二元 OPV 中最高的開路電壓值。令人驚訝的是，基于DY6FO-V的二元器件獲得了 16.6% 的良好效率，其在可見光范圍內的 EQE 響應也較高，且陷阱輔助復合較少。因此，在 2600 K LED 燈下，優(yōu)化后的基于 PM6:DY6FO-V 的器件實現(xiàn)了令人鼓舞的 29.1% 的光電轉換效率，標志著二元 IOPV 的最好性能。

此外，DY6FO-V 具有較高的玻璃化轉變溫度，這使得相應器件具有出色的器件穩(wěn)定性，在 1100 小時內仍能保持約 81% 的初始值，從而突顯了其長期商業(yè)應用的可行性。此外，基于DY6FO-V的柔性器件與基于小分子受體的柔性器件相比，表現(xiàn)出更強的機械穩(wěn)定性，這表明DY6FO-V在柔性制造方面具有巨大潛力。這項研究為設計具有商業(yè)化潛力的適合于室內發(fā)光的二聚體材料提供了重要指導，有助于實現(xiàn)高性能且穩(wěn)定的 IOPV。

相關工作以“Indoor Organic Photovoltaics with Over 29% Efficiency and Great Stability Enabled by Giant Dimeric Acceptors with Hypsochromic Absorption and High Glass Transition Temperature”的研究性文章發(fā)表在Wiley 的旗艦刊物Advanced Science。本文的第一作者是香港科技大學的已畢業(yè)博士生鄒博森，共同第一作者為香港科技大學的博士研究生Ho Ming Ng和北京化工大學博士研究生李正凱；香港理工大學于涵教授、香港科技大學顏河教授以及北京化工大學張志國教授為論文共同通訊作者。

論文鏈接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202512690

圖1. 不同分子量的受體的分子設計策略以及相應的玻璃化轉變溫度。

圖2. 本文所涉及受體的紫外可見光吸收光譜、能級排布、分子結合能計算以及分子堆積比較。

圖3. 二元OSCs光伏器件性能與物理分析。

圖4. 混合膜形貌分析。

圖5. 室內光伏及器件穩(wěn)定性表征。

綜上所述，為了同時提升室內有機光伏器件的效率和穩(wěn)定性，以便用于進一步的物聯(lián)網(wǎng)應用，我們通過一種簡便的合成方法提出了兩種具有吸收譜藍移和高玻璃化轉變溫度的 Y-type二聚體（DY4FO-V 和 DY6FO-V）。具有明確化學結構的Y-type二聚體證明能夠結合小分子和聚合物受體的優(yōu)點。此外，我們的新材料 具有更好的結晶度，因此具有更快的載流子傳輸速度和更小的非輻射復合損失，優(yōu)于基于小分子和聚合物受體的器件性能。通過調整氟化程度，基于多氟化 DY6FO-V 的器件實現(xiàn)了 16.6% 的光電轉換效率，具有良好的開路電壓和填充因子，可用于進一步的室內光伏器件應用。結果，優(yōu)化后的基于 DY6FO-V 的 IOPV 實現(xiàn)了在室內光照下的 29.1% 的高光電轉換效率。同時，基于 DY6FO-V 的器件在光/熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性方面均優(yōu)于小分子受體對照組。我們的研究強調了開發(fā)具有吸收譜藍移特性的 Y-type二聚體對于開發(fā)具有卓越穩(wěn)定性的高效室內有機光伏器件的重要性。

來源：材料科學與工程公眾號。感謝論文作者團隊支持。

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