近日，東華大學先進低維材料中心、纖維材料改性國家重點實驗室研究員唐正課題組揭示了有機太陽能電池器件電壓損失機制，明確了給受體間距對有機光伏器件電壓損失的影響，并提供了調控給受體間距的材料設計策略，為突破有機太陽能電池性能瓶頸提供了新思路。相關研究成果已發表于《自然—通訊》。
隨著有機給受體半導體材料的快速發展，有機太陽能電池器件光電轉換效率快速提高，即將突破20%。然而，有機光伏器件性能目前仍然受限于器件較低的輸出電壓，因此，如何減少器件內部電壓損失成為當前有機太陽能電池器件研發領域的焦點和難點問題。
為此，唐正課題組首次提出有機光伏器件中的分子振動對載流子復合的加速作用與給受體間距——“DA間距”相關。研究人員通過對有機半導體材料分子結構的微調控，實現了對給受體薄膜中“DA間距”的連續調控，通過增加“DA間距”有效地降低載流子的復合速率，從而降低了器件的電壓損失，提升了器件輸出電壓及光電轉換效率。
論文第一作者、東華大學博士生王靜告訴《中國科學報》，研究人員通過分子動力學模擬，進一步分析了給受體分子在更常見的本體異質結薄膜中的堆積方式及“DA間距”。研究結果顯示，在高性能BHJ體系中，給受體分子相互堆積方式以平行pi-堆積為主，“DA間距”不到4埃米，因此分子振動對載流子復合影響極大，從而限制器件開路電壓。
同時，研究人員還通過增加給受體材料的烷基側鏈長度，成功將BHJ薄膜中給受體分子的相互堆積距離增大，實現了載流子復合速率的降低，以及器件開路電壓的提升。
唐正表示，這一研究成果將有利于設計更高性能的給受體材料，以及開發更理想的共混薄膜沉積工藝方案。
相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26995-1
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