近日，物电学院邱贝贝课题组围绕有机太阳能电池领域，在新型固体添加剂开发、活性层形貌调控和能量损失抑制等方面取得一系列研究进展，相关研究成果发表于Energy & Environmental Science，Angewandte Chemie International Edition和Advanced Energy Materials 期刊，浙江师范大学为第一单位。
（1）如何同时最小化能量损失、优化电荷动力学，是推动有机太阳能电池性能突破的核心难题。本研究设计了一系列不同卤素取代的噻唑单元（2,4-DCl、2Br-4Cl、2,4-DBr），通过卤素取代基调控分子偶极与分子间作用力。研究显示， 2,4-DBr具备适中分子间作用，诱导形成有序堆积与理想互穿网络形貌，从而有效促进激子解离与电荷传输。基于2,4-DBr处理的三元器件获得了21.10%效率。该工作系统揭示卤素取代对固体添加剂分子间作用、结晶行为与光伏性能的调控规律，证实合理卤化固体添加剂可精准调控活性层形貌，降低能量无序、优化电荷动力学，为构筑低能量损失、高性能有机光伏器件提供有效策略。相关研究成果以题为“Synergistically Facilitating Charge Dynamics and Suppressing Energetic Disorder via Tailoring Solid Additive Substituents for Organic Solar Cells with Efficiency Over 21%”发表于Energy & Environmental Science期刊。
（2）鉴于给、受体材料的分子结构与理化性质存在固有差异，开发可选择性调控二者聚集行为的固体添加剂是推动器件性能提升的重要途径。本文通过调控噻吩单元连接位点，设计合成2,2-TT、2,3-TT、3,3-TT三种双噻吩同分异构体添加剂，空间静电势的差异使其与给、受体呈现不同的结合作用，从而实现对分子聚集行为的差异化调控。研究表明，2,2-TT主要促进受体L8-BO的π–π堆积，几乎不影响PM6聚集；而3,3-TT能够同步诱导PM6与L8-BO形成有序紧密堆积，优化共混相分离形貌，获得均衡的电荷迁移率与更长载流子寿命。基于3,3-TT处理的二元体系的器件效率达到20.32%。该工作系统揭示添加剂同分异构结构对分子聚集、薄膜形貌与光伏性能的调控规律，证实选择性调控给受体聚集行为的重要价值，为活性层形貌精准调控提供有效的分子策略。相关研究成果以题为“Selectively Modulating the Donor and Acceptor Aggregation Behaviors through Solid Additive Isomerization Engineering for Organic Solar Cells Exceeding 20% Efficiency”发表于Angewandte Chemie International Edition期刊。
（3）给、受体材料本征结晶动力学差异，为构筑高质量给体-受体双纤维互穿网络的理想薄膜形貌带来巨大挑战。本研究设计一系列氯取代苯并[b]噻吩异构体（4-Cl-BT、5-Cl-BT、6-Cl-BT），依靠各异的空间静电势分布实现结晶动力学调控。其中5-Cl-BT具备更优空间静电势分布，可有效协同偶极-偶极作用与色散力，增强和PM6、L8-BO的分子间相互作用，诱导有序分子堆积、优化相分离尺度，在成膜过程中实现给受体结晶动力学的平衡。基于5-Cl-BT处理的三元器件效率达到20.89%。该工作系统阐明取代位点调控固体添加剂空间静电势、分子间作用力、结晶行为与光伏性能的内在规律，证实优化添加剂静电势分布能够均衡调控给受体结晶动力学，构筑理想活性层形貌，为制备高性能有机太阳能电池提供有效的调控策略。相关研究成果以题为“Extended and Balanced Crystallization Kinetics via Electrostatic Potential Distribution Manipulation of Solid Additives for Organic Solar Cells Reaching 20.89% Efficiency”发表于Advanced Energy Materials期刊。
邱贝贝副教授，主要从事新型有机半导体材料的设计合成以及光伏器件的性能研究，至今已发表70余篇SCI论文，被引6000余次，自2020年入职浙江师范大学以来，以第一/通讯作者在Nat. Commun., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater.等国际权威期刊发表系列研究工作。
编辑:武艳
