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)采用液相剝離法合成了不同層數(shù)的二維Cd_0.85 PS₃ Li_0.15 H_0.15 晶體，并發(fā)現(xiàn)雙層Cd_0.85 PS₃ Li_0.15 H_0.15 摻雜劑可以增強(qiáng)OPV的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）和核輻射屏蔽能力。相關(guān)研究成果以“Layer-optimized Cd_0.85 PS₃ Li_0.15 H_0.15 triggering donor crystallization for high performance organic photovoltaics with nuclear radiation shielding”為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊Chemical Engineering Journal上。

在過(guò)去的十年里，OPV由于其生產(chǎn)成本低、重量輕、材料豐富和機(jī)械靈活性，在新興光伏領(lǐng)域展示出巨大的潛力。雖然OPV在器件工程方面取得了重大進(jìn)展，OPV的最高認(rèn)證PCE超過(guò)19%，但是該P(yáng)CE還不能滿足OPV大規(guī)模商業(yè)化的需求。二維晶體由于其優(yōu)異的高載流子遷移率、高吸收系數(shù)和合適的價(jià)帶位置，可以用作實(shí)現(xiàn)有效電子級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)移的摻雜劑。眾所周知，二維晶體的層數(shù)會(huì)顯著影響其光電特性，但是二維晶體層數(shù)對(duì)OPV器件性能的影響尚未得到廣泛關(guān)注與研究。因此，優(yōu)化二維晶體層數(shù)并深入理解其層數(shù)對(duì)OPV成膜機(jī)制的影響對(duì)實(shí)現(xiàn)OPV器件性能的突破至關(guān)重要。

在這項(xiàng)工作中，研究人員采用液相剝離法合成了不同層數(shù)的二維Cd_0.85 PS₃ Li_0.15 H_0.15 晶體，探究了不同層數(shù)的二維Cd_0.85 PS₃ Li_0.15 H_0.15 摻雜劑對(duì)OPV活性層分子取向與器件性能的影響。研究人員通過(guò)掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）探討了不同層數(shù)Cd_0.85 PS₃ Li_0.15 H_0.15 摻雜劑對(duì)D18:L8-BO活性層堆積結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，基于雙層 Cd_0.85 PS₃ Li_0.15 H_0.15 摻雜的活性層具有最小的π-π堆疊距離。在摻入雙層 Cd_0.85 PS₃ Li_0.15 H_0.15 摻雜劑后， D18聚合物的結(jié)晶度增強(qiáng)，促進(jìn)了電荷傳輸。分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，Cd_0.85 PS₃ Li_0.15 H_0.15 傾向于分布在D18的結(jié)構(gòu)域中。雖然增加Cd_0.85 PS₃ Li_0.15 H_0.15 層數(shù)可以提高其吸附D18的能力，但它也會(huì)在D18的結(jié)構(gòu)域中形成更大的空間位阻。雙層Cd_0.85 PS₃ Li_0.15 H_0.15 具有平衡的吸附能力和空間位阻，最大限度地誘導(dǎo)了D18的結(jié)晶，從而顯著促進(jìn)了電荷傳輸，有效抑制了D18:L8-BO器件中的體電荷復(fù)合。因此，基于D18:L8-BO器件的PCE從17.57%提高到19.59%，這是該OPV體系的最高PCE值之一。此外，雙層Cd_0.85 PS₃ Li_0.15 H_0.15 摻雜劑可以有效增強(qiáng)OPV的核輻射屏蔽能力。

研究人員探討了不同層數(shù)二維Cd_0.85 PS₃ Li_0.15 H_0.15 摻雜劑作用于OPV器件的物理機(jī)制。結(jié)果表明，基于雙層 Cd_0.85 PS₃ Li_0.15 H_0.15 摻雜的OPV器件能夠在促進(jìn)激子產(chǎn)生和解離方面達(dá)到平衡，不會(huì)增加陷阱輔助的單分子復(fù)合，能抑制器件的雙分子復(fù)合，從而提高了器件光電流。同時(shí)，基于雙層 Cd_0.85 PS₃ Li_0.15 H_0.15 摻雜的OPV器件削弱了體電荷復(fù)合，有效填充了D18:L8-BO活性層的陷阱，降低了器件的漏電流，從而基于雙層 Cd_0.85 PS₃ Li_0.15 H_0.15 摻雜的OPV器件具有最大的填充因子。

本研究表明二維摻雜劑Cd_0.85 PS₃ Li_0.15 H_0.15 的層數(shù)調(diào)控可以同時(shí)增強(qiáng)OPV的PCE和核輻射屏蔽能力，能為開發(fā)面向核輻射屏蔽的有機(jī)光伏提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。李振業(yè)教授和丁玉風(fēng)教授為論文通訊作者，碩士研究生鄒傳凱為第一作者，南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院為論文署名第一單位。（張靖瑤 劉宇航 劉標(biāo)）

責(zé)編：張芷瑜

一審：張芷瑜

二審：張馬良

三審：熊佳斌

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