占玲玲副教授Advanced Materials发表有机光伏器件研究成果

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近日，材料与化学化工学院占玲玲在有机光伏器件效率，厚膜和大面积产业化应用等方面取得最新研究进展，相关成果以题为Multi-Phase Morphology with Enhanced Carrier Lifetime via Quaternary Strategy Enables High-Efficiency Thick-Film and Large-Area Organic Photovoltaics发表于国际著名期刊Advanced Materials（2021年，IF = 32.086）。
          有机光伏（OPVs）作为一种高效清洁能源器件，具有成本低、重量轻、溶液可加工性、半透明等独特优势，在智能窗口和柔性可穿戴器件中具有巨大应用潜力。随着高效材料的开发和器件工程的探索，单结OPVs的光电能量转换效率（PCE）已经超过19%。然而，绝大多数高性能OPVs器件的活性层厚度和面积较小，分别约为100 nm和0.05 cm2。在OPVs体系中，由于载流子迁移率低，增加活性层的厚度通常会导致严重的电荷复合。此外，通过刮涂制备的器件在溶剂蒸发期间将经历更长的相变时间，相分离尺寸将进一步放大，导致厚膜和大面积器件的效率显著下降，从而限制了OPVs的商业化发展。因此，开发具有耐膜厚变化的高性能OPVs意义重大。

（a）PM6、BTP-eC9、L8-BO和BTP-S10的化学结构；（b）不同活性层组分的PCE分布（插图：四元材料的能级图）

         基于此，研究人员采用纯非富勒烯四元策略构筑多相分布形貌进行载流子行为的优化，实现了厚膜和大面积器件的成功制备。他们选取了目前普遍使用的高效率给体PM6和Y系列受体材料L8-BO和BTP-eC9，以及非对称受体BTP-S10，并将这些作为四元体系的活性层材料，通过简单的接触角实验和润湿因子计算，研究人员发现将L8-BO和BTP-eC9以1:1混合，搭配PM6可以制备L8-BO和BTP-eC9的界面分布相，从而实现PM6:L8-BO:BTP-eC9体系的平行相分布。此外，BTP-S10与BTP-eC9有较好的相容性，两者可以形成合金相的同时，还能提高体系中PM6的相纯度。最终，研究人员通过比例优化，获得了多相分布的四元体系。

PM6:BTP-eC9，三元和四元薄膜的（a）瞬态荧光曲线；（b）瞬态吸收解析的τ1和τ2寿命；及（c）GSB信号演化。不同器件的（d）开路电压；（e）短路电流密度随光强变化图;及（f）载流子迁移率

        通过观察该四元体系的激子和载流子行为表征，研究人员发现，该四元体系中的激子表现出更短的寿命，这说明激子解离效率提高，可以获得更多载流子。同时，研究人员发现四元体系的载流子拥有更长的寿命，这表明载流子复合程度降低，且这一现象与在不同光强下的I-V曲线解析中得到的单/双分子复合程度降低结果相一致。通过进一步测试载流子迁移率，研究人员发现四元体系在更合适的相分离尺寸和纯相尺寸中，实现了更高的电荷迁移率。以上优异的载流子动力学，为构筑厚膜和大面积器件提供了理论基础。

四元有机光伏体系的形貌示意图；四元体系在厚膜和大面积器件中的光伏性能和实际照片；国家光伏产业计量测试中心的权威效率认证

        研究人员构建的四元体系可以实现多相形貌调控，制备的小面积薄膜器件可以实现19.31%的高效率，300 nm的厚膜器件实现17.55%的器件效率，1cm2和72 cm2的大面积器件实现18.2%和12.2%的高效率，是目前已知的厚膜和大面积器件最高值之一。同时，四元小面积器件在中科院福建计量所得到权威效率认证，认证效率为19.35%，是目前已知的效率认证的最高值之一。这些成果说明了载流子行为和混合相尺寸对于制造大面积和厚膜器件的重要性，展示了四元策略在大面积和厚膜OPVs中的潜力，并促进了OPVs在未来的实际应用。
        材料与化学化工学院邱化玉教授团队成员占玲玲是论文的第一作者，并同我校教授尹守春等为论文共同通讯作者，杭州师范大学为第一完成单位。该论文接受国家自然科学基金及杭师大科研启动经费等资助。


        作者简介：
        占玲玲，博士，副研究员，硕导，研究方向为有机光伏材料优化以及器件工程。近五年来，以第一或共同第一作者在Joule, Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advances Science, Nature Communication, Journal of the American Chemical Society等国际著名期刊发表论文20余篇；授权中国专利6项。
         尹守春，博士，教授，博导。主要从事有机铂(II)金属大环/笼功能超分子聚合物、两亲性分子的组装及调控、BODIPY基荧光传感器和聚炔类功能高分子方面的研究工作，主持国家自然科学基金面上基金5项（重大研究计划培育1项，面上3项，青年1项）、省部级教学科研11项、横向项目5项；以通讯作者发表SCI收录学术论文90余篇（其中Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2篇，J. Am. Chem. Soc. 4篇），授权发明专利10件；发表教改论文15篇；现为国家和浙江省自然科学基金评审专家，Supramolecular Materials杂志编委。入选浙江省中青年学术带头人和杭州市“131”中青年人才培养计划第一层次。
        文章来源：杭州师范大学