近日，南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院李振業(yè)教授團(tuán)隊(duì)在材料科學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊Advanced Materials（影響因子26.8，中科院一區(qū)top）上發(fā)表了題為“Monolayer MnPS3 Nanosheet Integration for Extended Exciton Diffusion and Charge Transport in High-Performance Thickness-Insensitive Organic Photovoltaics”的重要研究成果。該研究創(chuàng)新性地利用單層MnPS3納米片輔助增強(qiáng)電池器件的激子擴(kuò)散和電荷傳輸，制造出在100-300 nm光敏層厚度范圍具有超高膜厚耐受性（94.3%）的有機(jī)太陽(yáng)電池，對(duì)推動(dòng)有機(jī)太陽(yáng)電池實(shí)現(xiàn)大規(guī)模卷對(duì)卷生產(chǎn)具有重要的科學(xué)價(jià)值。李振業(yè)教授為論文獨(dú)立第一作者、其指導(dǎo)的碩士研究生周如進(jìn)為論文第二作者，李振業(yè)、曾德乾和賴(lài)寒健為論文共同通訊作者，南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院為論文第一署名單位。
有機(jī)太陽(yáng)電池具有輕質(zhì)、柔性、低成本和透明等特性，在建筑物表面、野外便攜式設(shè)備（能源自給式帳篷與單兵作戰(zhàn)等軍用移動(dòng)設(shè)施）的全方位能源供應(yīng)中具有重要的應(yīng)用前景。最近實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下有機(jī)太陽(yáng)電池的功率轉(zhuǎn)換效率已超過(guò)20%，具備便攜式能源（例如軍用能源）的開(kāi)發(fā)價(jià)值，進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的前期階段。隨著有機(jī)太陽(yáng)電池進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的前期階段，如何實(shí)現(xiàn)當(dāng)前有機(jī)太陽(yáng)電池實(shí)驗(yàn)室規(guī)模加工技術(shù)向工業(yè)規(guī)模“卷對(duì)卷”印刷加工技術(shù)的轉(zhuǎn)換成為重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。通常，為了滿(mǎn)足有機(jī)太陽(yáng)電池“卷對(duì)卷”印刷大規(guī)模生產(chǎn)的要求，光敏層厚度必須達(dá)到≥300 nm量級(jí)。由于給/受體載流子遷移率較低，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室規(guī)模高效有機(jī)太陽(yáng)電池光敏層的最優(yōu)厚度通常被限制在80-120 nm，增加光敏層厚度會(huì)加劇空間電荷積累、增強(qiáng)載流子復(fù)合，從而導(dǎo)致有機(jī)太陽(yáng)電池的功率轉(zhuǎn)換效率顯著下降。
為突破這一厚度-效率制約的根本性難題，本研究通過(guò)液相剝離法制備單層MnPS3納米片，借助多模態(tài)表征證實(shí)其可有效擴(kuò)展激子擴(kuò)散距離并提升面外電荷遷移率。單層MnPS3納米片輔助作用下基于PM6:Y6體系的有機(jī)太陽(yáng)電池實(shí)現(xiàn)了19.53%（100 nm厚度）和18.41%（300 nm厚度）的破紀(jì)錄功率轉(zhuǎn)換效率，展現(xiàn)出94.3%的超高膜厚耐受性，創(chuàng)造了有機(jī)太陽(yáng)電池領(lǐng)域的最高膜厚耐受性紀(jì)錄。該策略的普適性進(jìn)一步在D18-Cl:L8-BO體系（100 nm / 300 nm厚度：20.45%/19.70%功率轉(zhuǎn)換效率）和D18:L8-BO體系（100 nm / 300 nm厚度：20.41%/19.62%功率轉(zhuǎn)換效率）得到驗(yàn)證，其膜厚耐受性均超越現(xiàn)有的頂級(jí)有機(jī)太陽(yáng)電池。此項(xiàng)工作為解決工業(yè)級(jí)有機(jī)太陽(yáng)電池制造中光子捕獲與電荷提取的核心矛盾提供了普適性設(shè)計(jì)原則，為有機(jī)太陽(yáng)電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)化“卷對(duì)卷”印刷生產(chǎn)奠定了理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。
圖1 MnPS3納米片分子結(jié)構(gòu)及其作用下有機(jī)太陽(yáng)電池的光伏性能-膜厚依賴(lài)曲線(xiàn)
圖2. MnPS3納米片作用下有機(jī)太陽(yáng)電池的激子擴(kuò)散長(zhǎng)度以及電荷傳輸動(dòng)力學(xué)
本研究由國(guó)家自然科學(xué)基金、湖南省自然科學(xué)基金以及南華大學(xué)博士啟動(dòng)基金的聯(lián)合資助。
論文連接：http://doi.org/10.1002/adma.202513125
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