GFF96.5%最小化能量损耗的高性能ST-OSC非对称窄带隙受体分子工程

主要内容

中国科学院宁波材料技术与工程研究所葛子义、刘权、石静玉等人的研究表明，攻克本体异质结共混体系中近红外光子捕获与高开路电压损耗之间的固有权衡效应，对推动半透明有机太阳能电池（ST-OSC）的发展至关重要。该团队提出一种合理的分子设计策略，通过协同调控亚乙烯基π桥共轭结构、端基卤化修饰及分子对称性，开发出一系列适用于ST-OSC的高性能、低能量损耗非富勒烯受体材料（eC9-V-4Cl、eC9-V-2Cl及eC9-DV-2Cl），可有效打破器件效率与平均可见光透过率之间的固有制约关系。

所设计的材料展现出宽化的近红外吸收光谱（吸收边延伸至1020 nm），与标准器件PCE10:BTP-eC9相比，非辐射复合电压损耗最大可降低约100 mV。其中，最优分子eC9-V-2Cl凭借其不对称结构与适度氯化修饰，实现了各项性能的最优平衡：在基于绿色溶剂加工的倒置结构不透明器件中，该材料与给体PCE10形成的共混体系实现了14.2%的优异光电转换效率（PCE），电压损耗低至约250 mV，这一数值跻身目前已报道的PCE10基光伏体系最高效率行列，其核心优势源于非辐射复合的有效抑制及填充因子（FF）的显著提升。值得注意的是，以eC9-DV-2Cl为受体的器件，电压损耗低至0.518 V，性能可与高性能PM6基非富勒烯受体光伏体系相媲美。

该团队通过深入的形貌表征、电荷动力学分析及光物理测试，明确了材料的构效关系：亚乙烯基π桥主要通过提升最高占据分子轨道（HOMO）能级，实现近红外吸收范围拓宽与电压损耗降低；端基氯化程度的适度调控可进一步抑制非辐射复合，在保证高FF与高短路电流密度（Jsc）的同时提升开路电压（Voc）；而过度的分子对称性（如eC9-DV-2Cl）会破坏共混膜的理想形貌，并过度削弱电荷分离驱动力，这也印证了精细调控分子不对称结构的重要性。

将PCE10:eC9-V-2Cl共混体系与简易一维双层纳米光学结构（LiF/MoO₃，作为光耦合输出层）集成至ST-OSC架构后，器件实现了4.2%的高光利用效率（LUE），对应PCE为9.9%、平均可见光透过率（AVT）为42.6%，展现出与透明化应用需求的良好适配性。在拓展至5×5 cm²大面积模组时，团队通过优化飞秒近红外激光划片工艺及死区设计，使模组获得96.5%的高几何填充因子（GFF），有效面积PCE达8.93%。

综上，该研究为高性能ST-OSC提供了清晰的分子设计蓝图与全新设计准则，不仅为高效窄带隙受体材料的研发提供了理论与实验指导，更对ST-OSC的商业化进程具有重要推动意义，助力这类器件作为极具潜力的可持续能源技术，集成应用于建筑幕墙、温室大棚及其他透明载体表面。

文献信息

MolecularEngineeringofAsymmetricNarrow-GapAcceptorsforHigh-PerformanceSemitransparentOrganicSolarCellsandModuleswithMinimizedEnergyLosses

MengliLiu,YongqiBai,RanSu,JingyuShi,ZeJin,ChenShen,HaotianHu,QuanLiu,ZiyiGe

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202505706