近日，best365官网登录入口材料科学与工程学院/发光材料与器件国家重点实验室吴宏滨教授课题组与中南大学化学与化工学院邹应萍教授团队联合在国际著名期刊Nature Photonics（《自然·光子学》）上发表题为“High-efficiency Organic Solar Cells with Low Nonradiative Recombination Loss and Low Energetic Disorder”（具有低非辐射跃迁复合损耗和低能量无序度的高效有机太阳电池）的合作研究论文。
该研究工作的科学意义体现在，提出了设计同时具备低能量无序度与低能量损失有机光伏体系的指导原则，并将能量无序度这一微观材料性质参数和器件开路电压这一宏观器件参数联系起来，为进一步发展性能更加优异的有机光伏材料体系奠定重要的分子结构基础和材料物理基础。因此，该论文得到了审稿人的高度评价，认为其实现了三项突破：一是创造了新的经验证的单结有机太阳电池效率世界记录；二是将高效有机太阳电池中的光子能量损失降到最低；三是通过实验验证了该能量损失与有机半导体材料的带尾无序度相关。
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有机太阳电池是一种以有机共轭聚合物或者小分子半导体材料为核心组成的新型太阳电池, 因其原料来源丰富、制备成本低、发展潜力大、可制成半透明以及可通过印刷方式大面积制备等优点，已成为国内外研究的热点。作为一种有潜力的低成本可再生能源技术，有机太阳电池可在光伏发电、野外便携式充电器等方面具有广阔的应用前景。获得高的能量转化效率是目前基础研究阶段的首要目标，也是实现其产业化的关键之一。
伴随着光电流产生过程的光子能量损失是影响有机太阳电池能量转化效率的关键因素。尽管历经多年的发展,常见的有机太阳电池的光子能量损失仍高达0.6-1.1eV, 是制约该领域发展的重大研究挑战之一。要减小这一损耗,需要抑制器件中的非辐射衰退复合损耗和降低有机半导体的能量无序度,而这些因素往往与有机半导体材料带隙间的带尾态密切相关。
研究人员使用了一种无扭曲构型的小分子作为电子受体来降低有机太阳电池中的光子能量损失(有机半导体电子受体材料Y11由邹应萍教授团队设计合成, 材料的化学结构及其紫外-可见-近红外吸收光谱如图1所示)。基于细致平衡理论的分析表明, 这一体系中的非辐射跃迁受到强烈抑制, 由非辐射衰退复合损耗导致的能量损失降至0.17eV, 且由能量无序对应的乌尔巴赫能量值低至25−27 meV。这一体系中的综合能量损失为0.43−0.46 eV, 接近单晶硅太阳电池的最好水平(0.38 eV)。基于上述有机半导体材料的有机太阳电池获得了16%以上的实验室测试效率(图2), 并获得了经国家计量院和美国可再生能源实验室认证的相当效率。
图1 研究所用到的有机光伏给受体材料结构, 以及其吸收特性
图2 研究人员制备获得的高效有机太阳电池的性能特性数据
图3 器件的高灵敏度量子效率测量,电致发光效率,带尾态和能量无序度的光谱学分析结果
研究论文还探索了能量无序度，带尾态和非辐射衰退能量损失之间的关系(图3)，利用超快光谱等手段揭示光生载流子的产生机制。研究人员还通过北京同步辐射装置原位掠入射广角X射线散射(GIWAXS)研究了薄膜中的洁净度和分子的堆积取向,结果表明薄膜中出现定向的堆叠取向，导致了高效的电荷输运通道。
刘莎博士、邓万源博士、袁俊博士(中南大学)是本研究工作的共同第一作者，吴宏滨教授和邹应萍教授分别是是best365官网登录入口课题组和中南大学团队的通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部等科研项目的资助。(图文/材料科学与工程学院 发光材料与器件国家重点实验室 编辑/许颖)
论文卷页号信息：
Nature Photonics, 14 (5), P. 300–305 (2020).
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