近日,北理工王金亮教授團隊在構(gòu)筑高效三元有機太陽能
電池方面取得進展,相關(guān)研究成果發(fā)表于國際材料領(lǐng)域著名學(xué)術(shù)期刊《Advanced Functional Materials》上,題為“Isogenous Asymmetric-Symmetric Acceptors Enable Efficient Ternary Organic Solar Cells with Thin and 300 nm Thick Active Layers Simultaneously”。化學(xué)與化工學(xué)院博士研究生白海瑞為論文第一作者,王金亮教授、安橋石特別研究員以及Han Young Woo教授(韓國高麗大學(xué))為通訊作者,北京理工大學(xué)為第一通訊單位。論文的合作者還包括北京工商大學(xué)李熊教授。
環(huán)境污染和能源危機是當今世界面臨的兩大難題,開發(fā)與利用高效率清潔能源是國家能源戰(zhàn)略中亟需解決的重大科學(xué)問題。有機太陽能電池以其高靈活性、半透明、多彩、重量輕以及低成本商業(yè)化制造等優(yōu)勢成為最有前景的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)之一。有機太陽能電池的性能主要取決于活性層光吸收、激子離解、電荷傳輸和收集能力等。因此,十分有必要從多角度出發(fā),研發(fā)各種策略來提高器件性能;诖祟惪茖W(xué)問題,王金亮教授與安橋石特別研究員團隊聯(lián)合國內(nèi)外課題組,通過將合成有機新材料與器件制備相結(jié)合,開發(fā)了多種高效率的有機給/受體材料和高性能器件。在“BIT”系列小分子給體材料( Adv. Funct. Mater. 2015, 25 , 3514(ESI高被引論文); J. Am. Chem. Soc. 2016, 138 , 7687(ESI高被引論文); Adv. Funct. Mater. 2016, 26 , 1803(ESI高被引論文); Joule , 2019, 3 , 846(ESI高被引論文)等)、含硒吩類與鹵素調(diào)控給/受體材料( ACS Energy Lett. , 2018, 3 , 2967; ChemSusChem 2021, 14 , 4454; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60 , 19241 (ESI高被引論文); Adv. Funct. Mater. 2022, 32 , 2108289; Energy Environ. Sci. , 2022, 15 , 320等)、高效全小分子器件( Energy Environ. Sci. 2021, 14 , 3945(ESI高被引論文); ACS Energy Lett. 2021, 6 , 2898等)以及機器學(xué)習(xí)輔助有機太陽能電池研究( Energy Environ. Sci. 2021, 14 , 90(ESI高被引論文))等方面取得了一系列研究進展。
三元策略是一種有效提高有機太陽能電池效率的方法,其已成為該領(lǐng)域的研究熱點。此外,三元策略在緩解器件效率對活性層厚度敏感方面展現(xiàn)出巨大潛力。活性層厚度的增加會導(dǎo)致載流子遷移率降低與失衡,空間電荷堆積以及復(fù)合增加。隨著活性層厚度的增加,器件效率急劇下降,這是有機太陽能電池大規(guī)模應(yīng)用亟待解決的關(guān)鍵問題。在二元體系中引入適當?shù)牡谌M分能夠有效增強有源層的光子俘獲,優(yōu)化能級和能量/電荷轉(zhuǎn)移的路徑,進而提升電荷的生成及收集效率。因此,如何甄選第三組分是構(gòu)筑高效率且膜厚不敏感有機太陽能電池的核心問題。
圖1. 相關(guān)分子結(jié)構(gòu)與基本性質(zhì)
考慮到同源衍生物具有相似的分子結(jié)構(gòu)和良好的兼容性,通過使用同構(gòu)型小分子Y6-1O和Y7-BO作為受體,明星聚合物PM6作為給體來制備高性能三元器件。Y6-1O與Y7-BO具有類似的“BTP”稠環(huán)分子骨架,使得兩個受體之間具有極好的兼容性,從而有利于精細調(diào)控三元共混物的形貌以獲得優(yōu)化的短路電流密度和填充因子。另一方面,不同的鹵素取代端基和兩個受體中不同的不對稱或?qū)ΨQ核心單元能夠提供互補的吸收和可調(diào)節(jié)的能級,這有助于在短路電流密度與開路電壓之間獲得良好的平衡。
圖2. 器件的光伏性能
研究結(jié)果顯示,當Y6-1O在受體中的含量為10 wt%時,三元器件最優(yōu)效率達到18.11%,填充因子為79.27%。當器件的活性層厚度增加到300 nm或400 nm時,三元器件仍能保持16.61%或15.71%效率,均為目前已報道同厚度器件效率的最高值。三元器件效率的提升主要歸因于更高效的電荷生成和提取過程,其得益于光子捕獲的增加、能級及形貌的優(yōu)化。該工作結(jié)果表明,將同源非富勒烯受體Y6-1O和Y7-BO相結(jié)合是同時實現(xiàn)高效薄膜和厚膜三元有機太陽能電池的一種有效策略。
圖3. 活性層形貌研究
上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項目、國家海外高層次人才青年項目、北京理工大學(xué)特立青年學(xué)者計劃等項目以及北京市光電轉(zhuǎn)換材料重點實驗室的支持。北京理工大學(xué)分析測試中心為材料及器件表征提供了支持。
文章全文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202200807
(責任編輯:子蕊)