近日，華南理工大學材料科學與工程學院研究員李遠團隊與中國科學院長春應用化學研究所、中國科學技術大學、隆基綠能科技股份有限公司等合作，將經典的“給體-受體”型雙自由基分子應用于鈣鈦礦太陽電池器件，實現了器件效率和穩定性的突破。相關成果發表于《科學》（Science）。
記者獲悉，李遠研究員作為論文共同第一作者，主要貢獻為揭示了論文中的“給體-受體”自組裝單分子層材料的開殼“醌式-雙自由基”電子自旋基態，及其分子導電性與“開殼-雙自由基”電子自旋基態的“結構-性能”關系。
“給體-受體”型雙自由基自組裝分子的設計思路與電子自旋共振譜圖。研究團隊供圖
早在2017年，李遠團隊對經典“給體-受體”型有機半導體的“閉殼-單線態基態”提出了大膽而極富想象力的質疑。該團隊進行了大量的實驗和理論計算研究，提出并論證了“給體-受體”型有機半導體的開殼“醌式-雙自由基”電子自旋基態的假設，并提出“聚集誘導自由基”機理。
據介紹，該重要發現和背后的“聚集誘導自由基”機理明顯區別于1907年的Chichibabin自由基的“恢復芳香性以穩定雙自由基”的古老機理。近八年，李遠團隊聚焦該研究方向，開發了一系列光、熱及電化學穩定的“給體-受體”型有機自由基半導體，并探索了其在多領域的應用潛力。
最新研究中，中國科學院長春應用化學研究所研究員秦川江團隊設計并合成出穩定的“給體-受體”型自組裝分子（RS-1和RS-2）：以含氮雜環為電子給體，氰基磷酸為電子受體，利用短距離的強推拉電子作用增強了電子離域效應，在聚集態下促進了分子內和分子間的電荷轉移，進而促進了“醌式-雙自由基”及正負離子對共振式的形成。通過在分子的氮雜環上引入大位阻芳環，進一步提升了雙自由基的光、熱及電化學穩定性，利用電子自旋共振等測試手段證實了RS-1和RS-2具有本征的“開殼-雙自由基”特性，同時展示出“聚集誘導自由基”效應及顯著提高的導電性。
秦川江團隊與隆基綠能科技股份有限公司合作，對材料進行了系統的器件測試，基于新型雙自由基分子RS-2的4平方毫米小面積鈣鈦礦太陽電池的功率轉換效率達26.3%，10.04平方厘米的組件效率高達23.6%。經NREL權威認證，1平方厘米鈣鈦礦-硅疊層太陽電池器件的效率高達34.2%，與同類報道相比具有明顯優勢。值得注意的是，在長期穩定性方面，基于RS-2的器件在45℃連續光照2000小時后仍保持97%的效率，即使在85℃高溫及高濕條件下連續工作960小時，RS-2器件仍保持92%的效率。
該研究成果進一步驗證了李遠團隊2017年提出的開殼“醌式-雙自由基”電子自旋基態和“聚集誘導自由基”機理，為“給體-受體”型雙自由基材料的應用提供了科研院校與企業合作研發的范例。同時，該工作展示了有機“給體-受體”型雙自由基的應用潛力，表明“聚集誘導自由基”機理對未來有機光電材料、器件及相關物理機制的發展具有重要指導價值。
相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.adv4551