通过增强Förster共振能量转移诱导反向空穴转移实现具有光谱均匀光电流生成的高性能三元有机太阳能电池
单位：北京师范大学物理与天文学院，青岛大学材料科学与工程学院，青岛大学纺织学院，北京师范大学多尺度自旋物理教育部重点实验室
有机太阳能电池(OSCs)因其低成本、可溶液加工和可调谐的光学性质而备受关注。为了提高OSCs的功率转换效率(PCE)，研究者们不断探索新的材料与设计策略。其中，三元OSCs通过引入第三种组分来优化活性层的光吸收、电荷分离与传输特性，已成为提升器件性能的有效途径。然而，如何选择合适的第三组分来提高PCE，仍是当前研究中的热点与难点。
基于此，北京师范大学张文凯教授和青岛大学刘亚辉教授、路皓副教授带领研究团队在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表了题为“High-performance Ternary Organic Solar Cells With Spectral Uniform Photocurrent Generation by Enhanced Förster Resonance Energy Transfer Induced Reverse Hole Transfer”的工作。该工作以D18:BTP-eC9-4F为活性层主体，通过引入前期开发的具有高荧光量子产率（PLQY）的三维端基受体SM16作为第三元组分（Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2301866），构建了三元OSCs。由于D18的发射光谱与SM16的吸收光谱具有更大的重叠，同时SM16更高的溶解度有利于调控给受体的空间距离，本研究通过调控BTP-eC9-4F/SM16的比例，增强Förster共振能量转移（FRET）诱导反向空穴转移，实现最优三元OSCs中19.28%的PCE。
要点一：一定比例SM16掺杂下的三元太阳能电池具有最优PCE
本研究制备了基于ITO/2PACz/活性层/PDINN/Ag结构的太阳能电池器件，活性层通过氯仿溶液旋涂，并采用不同的BTP-eC9-4F/SM16重量比。最优的三元太阳能电池（D18:BTP-eC9-4F:SM16，1:0.925:0.075重量比）表现出开路电压（Voc）为0.899 V，短路电流密度（Jsc）为27.30 mA cm-2，填充因子（FF）为78.54%，PCE为19.28%。研究发现，随着SM16含量的增加，Voc单调升高，主要因为D18的HOMO和SM16的LUMO之间的能级差更大，并且SM16的PLQY比BTP-eC9-4F更高。然而，当SM16的比例超过7.5%时，Jsc和FF下降，原因是过量的SM16破坏了三元共混膜的互穿网络结构，导致载流子生成和传输行为变差。外量子效率测试表明，优化的三元OSCs在600–760 nm范围内具有较高且光谱均匀的光电流生成，这得益于更高的吸收效率和有效的激子扩散与解离。
要点二：不同BTP-eC9-4F/SM16比例对三元OSCs空穴转移过程的影响
本研究通过飞秒瞬态吸收光谱（fs-TA）研究了不同BTP-eC9-4F/SM16比例的D18:BTP-eC9-4F:SM16三元共混膜的激发态动力学，通过850 nm的泵浦脉冲单独激发受体，探讨了空穴转移（HT）过程。结果显示，光激发后，给体的基态漂白（GSB）信号缓慢增长，表明发生从受体材料到给体材料的空穴转移过程。610-790 nm波段的信号从负到正的转变表明形成了电荷分离（CS）态。在不同BTP-eC9-4F/SM16重量比的三元共混膜中，含7.5% SM16的共混膜表现出最高的空穴转移效率，具有最快的界面解离和扩散过程，从而导致了更大的Jsc和FF。
要点三：不同BTP-eC9-4F/SM16比例对Förster共振能量转移和反向空穴转移的影响
本研究探讨了在500 nm光激发下，共混膜中电子转移（ET）和FRET诱导的空穴转移（HT）过程。通过500 nm激光泵浦，研究了D18给体与受体材料之间的FRET和反向HT。结果表明，FRET过程在光激发后迅速发生，之后发生反向HT导致电荷分离。实验表明，当SM16掺量为7.5%时，FRET和反向HT的速率和效率达到最佳，促进了自由载流子的生成。进一步增加SM16掺量会导致反向HT效率下降，影响电荷分离过程。因此，合理调节FRET效率有助于提高反向空穴转移效率，从而促进自由载流子的生成。
High-performance Ternary Organic Solar Cells With Spectral Uniform Photocurrent Generation by Enhanced Förster Resonance Energy Transfer Induced Reverse Hole Transfer
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202417478
冉光柳博士简介: 博士毕业于北京师范大学物理学系，师从张文凯教授。长期从事超快动力学技术及应用方面的研究。以第一作者/共同一作身份在Nat. Mater., Joule, J. Am. Chem. Soc., Chem. Sci., Adv. Funct. Mater., Adv. Energy Mater., J. Phys. Chem. Lett./B/C 等学术期刊上发表20余篇研究论文。
路皓副教授简介: 理学博士，硕士生导师，青岛大学特聘教授。2022年6月博士毕业于北京师范大学。2022年入职青岛大学，现为青岛大学材料科学与工程学院高分子材料系副教授，同时任职于青岛大学功能染料与应用技术研究院，长期从事有机光伏材料与器件的研究。以第一作者/共同一作/通讯作者身份在Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Energy Lett., Chem. Eng. J., Sci. China Chem.等学术期刊上发表40多篇研究论文，多篇论文被杂志高亮报道。
刘亚辉教授简介：本科、博士毕业于北京师范大学获得博士学位，师从北京师范大学薄志山教授。硕士/博士生导师，山东省优青，山东省青年泰山学者，主持国家青年基金、面上项目，参与国家重点研发计划、基金委重点项目。从事有机光电材料与器件，如有机太阳能电池关键材料、钙钛矿太阳能电池空穴传输材料等，开发了多种非富勒烯受体材料，共轭聚合物给体材料等，做出了系列原创性的科研工作，受到领域的广泛关注。至今以第一作者/通讯作者身份发表SCI论文70余篇，包括Acc. Chem. Res., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Sci. China Chem., Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett., Chem. Mater., Macromolecules等高水平论文。
张文凯教授简介：2001 年本科毕业于中国科学技术大学化学物理系。2006 年博士毕业于中国科学院化学研究所。随后在美国加州大学伯克利分校、斯坦福大学、SLAC 国家加速器实验室以及宾夕法尼亚大学从事博士后研究。2015 年入选国家海外高层次人才青年项目，加入北京师范大学。主要学术兼职有应用光学北京市重点实验室主任、中国化学会化学动力学专业委员会委员、中国化学会时间分辨谱学专业委员会委员、北京光学学会理事、硬X射线自由电子激光装置项目科技委员会委员、上海软 X 射线自由电子激光装置第一届用户委员会委员等。张文凯教授长期致力于发展现代超快实验方法并应用于光电转化过程的研究。利用超快激光光谱、X 射线自由电子激光光谱等高精尖技术，在原子水平上研究了分子的结构和动力学，为控制光电转化与新型材料的研发提供了基本认识。在 Nature, Chem. Rev., Nat. Mater., Nat. Energy, Nat. Commun., Sci. Adv., Acc. Chem. Res., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Sci., Nano. Lett., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., J. Phys. Chem. Lett.等国际一流期刊发表100余篇学术论文。
https://physicsfaculty.bnu.edu.cn/teacher/348/index.html
https://www.x-mol.com/groups/wenkai_zhang
https://www.x-mol.com/groups/gnrlyyyjs
北京师范大学物理与天文学院张文凯教授课题组面向国内外诚聘博士后、研究助理、硕士和博士研究生。课题组具有良好的科研工作条件，欢迎具有光学、凝聚态物理、原子分子物理、材料物理和物理化学等相关领域研究背景的同学加入课题组。课题组主要致力发展高时空分辨光谱实验方法，并用于研究光与物质相互作用中的电子、振动及自旋的非平衡态动力学，探索光电功能材料中的光电转换机理，开展以新能源及量子信息应用为目标导向的基础研究。
添加官方微信 进群交流
SCI二氧化碳互助群
SCI催化材料交流群
SCI钠离子电池交流群
SCI离子交换膜经验交流群
SCI燃料电池交流群
SCI超级电容器交流群
SCI水系锌电池交流群
SCI水电解互助群
SCI气体扩散层经验交流群
备注【姓名-机构-研究方向】
说明
🔹本文内容若存在版权问题，请联系我们及时处理。
🔹欢迎广大读者对本文进行转发宣传。
🔹《科学材料站》会不断提升自身水平，为读者分享更加优质的材料咨询，欢迎关注我们。
