ACS Energy Letters(IF:23.991)UNIST 用於有機太陽能電池氰基取代的丙二腈端基的近紅外電子受體 效率>18.1%
Enlitech-頂尖團隊的選擇！
重點摘要
- 氰基(Cyano)取代的2-(3-Oxo-2,3-dihydroinden-1-ylidene)丙烯腈(CN-IC)端基團具強吸電子能力,可降低受體材料能隙。
- 採用CN-IC端基團的A-DA’D-A型受體材料BTPCN光學能隙降至1.29eV,較Y5-BO參考受體材料降低0.12eV。
- 以PTTzF為供體,BTPCN為受體的有機太陽能電池功率轉換效率達18.1%。
研究成果
韓國蔚山科學技術院Chunhui Duan教授團隊設計出一系列A-DA’D-A型構型的近紅外小分子受體材料BTPCN。其中A代表兩個芳香環系,D和D’為噻吩誘導體。關鍵是選用氰基取代的2-(3-氧代-2,3-二氫吲哚-1-基)丙烯腈(CN-IC)作為端基團。根據實驗證據,CN-IC端基團具有目前所有報導端基團中最強的吸電子能力。
研究人員比較了採用CN-IC和常規Y5端基團的受體材料BTPCN和Y5-BO的性能。結果顯示,CN-IC端基團的光學能隙降至1.29電子伏特,比Y5端基團的光學能隙1.41電子伏特縮小0.12電子伏特。這使BTPCN材料能吸收更多近紅外光,有利於擴大吸收範圍。此外,CN-IC端基團也使BTPCN材料保持了相對更深的最高占據分子軌道能階分布。
團隊運用含CN-IC端基團的BTPCN材料與高效的PTTzF聚合物供體構建太陽電池,測試結果顯示可實現18.1%的功率轉換效率。該效率值較採用Y5端基團受體材料的類似電池提升明顯。
本研究證明了CN-IC端基團在設計高效近紅外有機太陽能電池受體材料方面的優勢。CN-IC端基團能同時實現光學能隙的收窄和分子能階匹配效果,是構建高效太陽電池的有效策略。未來通過簡化CN-IC端基團的合成路線,可望實現其在高效太陽電池中的大規模應用。
研究背景
有機太陽能電池具有轉換效率高、製作成本低的優點,被視為未來清潔可再生能源轉換的重要選擇。要實現有機太陽能電池的商業化,關鍵在於設計高效的光電活性材料。尤其是能吸收近紅外光的電子受體材料極為重要,它能擴大材料光吸收範圍,提高電池轉換效率。目前A-D-A型小分子和聚合物常被用作近紅外領域受體材料,而優化其分子端基團被認為是提升性能的有效策略。
蔚山科學技術院位於有著韓國工業首都之稱的蔚山廣域市，是韓國四大國立科學技術院之一（其餘三所分別是:韓國科學技術院、光州科學技術院以及大邱慶北科學技術院），成立至今一直致力於發展成為韓國最優秀的國立大學乃至引領世界的理工類大學。蔚山科學技術院UNIST於2019年安裝EnlitechQE-R 量子效率系統後，分別在2020年8月、2022年1月、2022年12月連續在NREL(美國國家可再生能源實驗室)太陽能電池Interactive Best Research-Cell Efficiency Chart單節鈣鈦礦太陽能電池領域創下2020年8月(25.5%)、2022年1月(25.7%)、2022年12月(25.8%)紀錄。
於2020年1月更在光焱科技Enlitech的REPS設備協助下強化VOC-LOSS損耗，創下大面積鈣鈦礦太陽能電池24.8%的世界轉換效率(voltage loss0.3V)，是亞洲區名列前茅的光伏研究機構。
研究人員比較了採用CN-IC和常規Y5端基團的受體材料BTPCN和Y5-BO的性能。結果顯示,CN-IC端基團的光學能隙降至1.29電子伏特,比Y5端基團的光學能隙1.41電子伏特縮小0.12電子伏特。這使BTPCN材料能吸收更多近紅外光,有利於擴大吸收範圍。此外,CN-IC端基團也使BTPCN材料保持了相對更深的最高占據分子軌道能階分布。
團隊運用含CN-IC端基團的BTPCN材料與高效的PTTzF聚合物供體構建太陽電池,測試結果顯示可實現18.1%的功率轉換效率。該效率值較採用Y5端基團受體材料的類似電池提升明顯。
本研究證明了CN-IC端基團在設計高效近紅外有機太陽能電池受體材料方面的優勢。CN-IC端基團能同時實現光學能隙的收窄和分子能階匹配效果,是構建高效太陽電池的有效策略。未來通過簡化CN-IC端基團的合成路線,可望實現其在高效太陽電池中的大規模應用。
研究方法
- 合成路線:團隊從商業公司購買Br-IC和BTP-EH前驅體,經過一系列反應合成出CN-IC端基團。再與BTP-EH在酸催化下縮合,合成出目標物BTPCN-EH。BTPCN-BO和BTPCN-HD的合成路線與此類似。
- 光譜分析:利用1H NMR、13C NMR確認了CN-IC和三種BTPCN受體材料的化學結構。應用紫外可見吸收光譜比較了材料的光學性質。
- 理論計算:採用DFT方法對端基團進行幾何優化,並計算了分子軌域及靜電勢分布。結果顯示CN-IC端基團具較強吸電子能力。
- 循環伏安測定:通過CV曲線確定了材料的能階分佈情況。CN-IC端基團有助收縮能隙而保持深層能階。
- 細胞製備:精確調控供體與受體比例、溶劑添加劑、熱處理等條件,優化了太陽能電池的有機活性層。
- 效率測試:在AM1.5G光照下,測試了採用PTTzF聚合物與三種BTPCN受體的有機太陽能電池效率,其中BTPCN-EH系統達到18.1%。
精準量測儀器
UNIST 在 2019 年安裝了 Enlitech 的 QE-R 量子效率系統，在短時間內，UNIST 打破了鈣鈦礦太陽能電池的世界紀錄，2020 年UNIST 在 NREL 的圖表上被註記上經過認證的 25.5% 鈣鈦礦太陽能電池的殊榮。 Enlitech的QE-RPV/太陽能電池量子效率光學儀是相當暢銷與值得信賴的 QE/IPCE 系統,可提供各種太陽能電池精準的 EQE 檢測數據,波長範圍分別300~1100 nm、 300~1800nm; 300~2500 nm 或客製化可選擇,也可客製化各種定製的樣品測試夾具,整體結構設計緊湊,擁有獨家手套箱集成能力,系統內具備有雙鎖像放大器,可同時監控光功率與設備信號,量測重複性超過 99.5%,是許多一流光伏實驗室選擇。搭配Enlitech獨家開發的自動化檢查軟體,使其 IPCE、IQE 和光譜響應數據的檢測準確快速。 Enlitech 是唯一一家通過 ISO 17025 量子效率校準和檢測認證的量子效率系統製造商,所研發設備符合 ATSM E 1021-15、ASTM E948、IEC 60904-8、IEC 60904-7、IEC 60904-1等規範,其中經 ISO / IEC 17025 認可的期刊論文可提交獨家 EQE 不確定性評估報告和品質控制。
全球已安裝近千套 QE-R 量子效率光學儀,包含全球各地500 多個優秀太陽能電池研究實驗室採用,近 10 年發表 SCI 論文 1000 餘篇,包括 Nature、Science、Joule、Advanced Materials 等多家旗艦期刊。
QE-R 量子效率系統提供的量子效率信息通常被太陽能電池的研究人員用來說明和研究器件設計、器件性能、製程改進、材料帶隙、雜質或陷阱。 由於 QE-R 量子效率系統的高重複性和準確性,計量工程師也使用 QE-R 量子效率系統進行光譜失配計算和太陽能電池轉換效率的不確定性評估。
結論
這次研究設計出了具有氰基取代的吲哚丙烯腈端基團的新型A-DA’D-A受體材料。這類材料固有強吸電子能力,可實現更窄的光學能隙,並保持深層能階分布,有利於光電轉換。運用該受體材料製備的有機太陽能電池效率可達18.1%,突破目前水平。該成果為開發高效率有機太陽能電池提供了新思路。
關鍵字
QE-R、UNIST
