【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院前沿化學(xué)研究院高珂教授團(tuán)隊(duì)在有機(jī)光伏材料領(lǐng)域取得了一項(xiàng)重要研究進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)通過創(chuàng)新的分子設(shè)計(jì)，成功開發(fā)出一種新型非富勒烯受體材料，有效解決了有機(jī)太陽能電池能量損失高的關(guān)鍵難題。相關(guān)成果以《鉑配合物受體調(diào)控介電常數(shù)和激子-振動(dòng)耦合以實(shí)現(xiàn)低能量損失的高效有機(jī)太陽能電池》為題，發(fā)表于國(guó)際頂尖材料學(xué)期刊《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)，標(biāo)志著我國(guó)在有機(jī)光伏技術(shù)研發(fā)方面達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。
瞄準(zhǔn)核心挑戰(zhàn)：攻克能量損失難題
有機(jī)光伏電池(OPVs)以其質(zhì)輕、柔韌、可溶液加工及適于大面積制備等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在可穿戴電子設(shè)備、建筑一體化光伏和便攜式能源等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。然而，其商業(yè)化進(jìn)程一直受制于光伏效率的相對(duì)不足。其中，活性層材料固有的低介電常數(shù)和強(qiáng)烈的激子-振動(dòng)耦合效應(yīng)，導(dǎo)致器件內(nèi)部能量損失嚴(yán)重，成為效率提升的主要瓶頸。
創(chuàng)新分子設(shè)計(jì)：鉑配合物受體顯威力
面對(duì)這一挑戰(zhàn)，高珂教授團(tuán)隊(duì)獨(dú)辟蹊徑，將目光投向了過渡金屬配合物。研究團(tuán)隊(duì)精心設(shè)計(jì)并合成了一種基于“鄰菲咯啉-鉑”配合物為核心骨架的新型非富勒烯受體材料(代號(hào)PtHD)。這一設(shè)計(jì)的精妙之處在于：
強(qiáng)化分子秩序：鉑配合物賦予分子骨架優(yōu)異的平面性和剛性，促進(jìn)了材料在固態(tài)下形成有序、緊密的π-π堆積結(jié)構(gòu)，這極大地降低了電荷傳輸過程中的重組能。
優(yōu)化電學(xué)性質(zhì)：擴(kuò)展的分子共軛體系和鉑原子外圍易極化的電子云，協(xié)同作用，顯著提升了活性層材料的介電常數(shù)。高介電環(huán)境有助于削弱正負(fù)電荷間的庫侖束縛力(即激子束縛能)，從而更高效地將光生激子拆分為自由移動(dòng)的電荷。
抑制能量損失：上述特性共同作用，有效抑制了器件內(nèi)部的非輻射復(fù)合能量損失，并實(shí)現(xiàn)了電子和空穴遷移率的平衡。
性能卓越：效率突破20.52%
將PtHD作為第三組分，引入到經(jīng)典的PM6:L8-BO二元體系中構(gòu)建三元有機(jī)太陽能電池后，器件性能實(shí)現(xiàn)了全面提升。測(cè)試結(jié)果表明，該電池的能量損失顯著降低，激子解離效率高達(dá)99%，同時(shí)載流子遷移更加平衡。最終，該三元器件獲得了20.52%的認(rèn)證光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)，這一數(shù)值在當(dāng)前三元有機(jī)太陽能電池體系中居于領(lǐng)先水平。
意義與展望
這項(xiàng)研究成果不僅展示了一種具體的高效材料，更從原理上揭示了過渡金屬配位化學(xué)在調(diào)控有機(jī)半導(dǎo)體光電性能方面的巨大潛力。它為解決有機(jī)光伏中“高電壓損失”這一根本問題提供了全新的材料設(shè)計(jì)策略和明確的思路——即通過分子工程主動(dòng)調(diào)控材料的介電性質(zhì)和激子-振動(dòng)相互作用。這為未來設(shè)計(jì)更高性能、更低成本的有機(jī)光伏材料開辟了一條富有前景的新道路。
本研究工作由山東大學(xué)前沿化學(xué)研究院副研究員徐化君和博士研究生姜昕悅作為共同第一作者完成，高珂教授為通訊作者。研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金多項(xiàng)面上及青年項(xiàng)目、泰山學(xué)者計(jì)劃、山東省海外優(yōu)青項(xiàng)目以及山東省青年科技人才托舉工程等基金的大力支持。
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