【仪表网 研发快讯】 近日，化学与化工学院国家胶体材料工程技术研究中心张茂杰教授团队联合新加坡科技研究局(A*STAR)在室内有机光伏电池领域的激发态动力学与器件工程研究方面取得重要进展。相关研究成果以“Over 30% Efficiency in Halogen-Free Solvent-Processed Indoor Organic Photovoltaic Cells Enabled by Favorable Charge Carrier Dynamics”为题，发表于国际材料科学领域顶级期刊Advanced Materials(影响因子:29.1)。论文通讯作者为张茂杰教授、国霞教授，新加坡科技研究局(A*STAR)研究员毕鹏青、Yang Le。山东大学博士研究生程思玄为第一作者，山东大学为第一通讯单位。
团队揭示了激子-电荷转化动力学与活性层聚集态结构协同降低能量损失的作用机制，基于PTQ10:AFIC体系，在无卤素溶剂加工、活性层无需后处理的条件下实现了超过30%的室内光电转换效率，为物联网低功耗设备供电的室内光伏产业化应用提供了重要理论指导与器件制备方案。该研究还揭示了激子-电荷转化动力学与活性层聚集态结构对室内光伏性能的协同影响，为降低弱光条件下的复合损失、开发兼顾高效率与无卤素溶剂加工的器件提供了思路，也为有机光伏在物联网低功耗设备中的应用探索提供了参考。
有机光伏电池具有轻质、可溶液加工等特点，在物联网低功耗设备的室内供能方面具有应用潜力。室内弱光条件下，光生载流子密度低，减少电荷产生、输运与收集过程中的损失尤为关键。同时，采用无卤素溶剂、减少对卤代溶剂的依赖，并简化制备工艺，是兼顾器件高效率与绿色加工、推进实际应用的重要方向。
张茂杰教授研究团队长期致力于有机光伏材料分子设计与器件制备工艺开发，围绕活性层聚集态结构调控、激发态动力学机制及绿色加工工艺开展系统研究，形成了一系列具有自主知识产权的材料与器件研究成果，持续推动有机光伏基础研究与应用探索。在上述研究基础上，团队选取PTQ10:ITCC和PTQ10:AFIC两种受体分子结构相近的体系，系统比较了其激子-电荷转化动力学、聚集态结构与器件性能。研究表明，PTQ10:AFIC体系具有多通道激子向电荷转化路径，其中以电荷转移态介导的解离通道为主。相较于PTQ10:ITCC，其更快的态间转化有助于减少界面电荷转移态累积，从而显著削弱陷阱辅助复合这一弱光条件下最主要的能量损耗来源。同时，PTQ10:AFIC共混薄膜中给、受体组分的优异垂直相分布更有利于电荷输运和收集。较快的激子-电荷转化动力学与有利的活性层聚集态结构协同降低了复合损失，提高了电荷产生与收集效率，这一优势在低载流子密度的室内弱光环境下尤为突出。器件测试结果表明，基于无卤素溶剂、无任何后处理制备的小面积器件，在3000 K、2000 lux LED室内光源下实现了30.4%的光电转换效率。面向实际应用开展大面积器件验证，1 cm²器件2000 lux下光电转换效率可达29.1%；进一步放大至6.25 cm²器件仍实现27.4%的光电转换效率，分别保留了小面积器件95.7%与90.1%的性能，大尺寸器件光响应分布均匀，展现了优异的规模化制备潜力。
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