具有帶隙高度可調(diào)、質(zhì)輕、柔性、低成本等顯著特點(diǎn)的有機(jī)太陽(yáng)能
電池是新一代光伏技術(shù)的重要發(fā)展方向。有機(jī)太陽(yáng)能
電池受限于有機(jī)材料“窄吸收”特性,二元共混薄膜難以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的有效寬光譜利用,并且始終存在相共混(利于激子解離)和相分離(利于電荷傳輸)這對(duì)基礎(chǔ)性矛盾,制約了有機(jī)光伏器件性能的進(jìn)一步突破。三元有機(jī)太陽(yáng)能電池保持單節(jié)電池結(jié)構(gòu),在二元活性層中引入吸收互補(bǔ)的第三組分,增強(qiáng)光譜吸收。盡管三元電池取得了一定成功,但仍面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),其核心問(wèn)題在于對(duì)三元共混薄膜難以實(shí)現(xiàn)清晰、有效的形貌控制,用以同時(shí)保證高效的激子解離和電荷傳輸,因此,已報(bào)道三元電池性能提升幅度較低。
在國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和中國(guó)科學(xué)院的支持下,中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室課題組科研人員利用前期發(fā)展的噻吩并噻吩類光伏受體新材料NITI(Adv. Mater. 2017, 29, 1704510.),合理選擇二元體系,構(gòu)筑了具有“分級(jí)結(jié)構(gòu)”的三元活性層形貌,實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)化效率的大幅提升,闡釋了形貌對(duì)光電過(guò)程和器件參數(shù)的決定性影響,相關(guān)論文發(fā)表在 Nature Energy 雜志上(DOI:10.1038/s41560-018-0234-9)。
三元共混薄膜分別選取了強(qiáng)結(jié)晶、寬帶隙電子給體材料BTR,弱結(jié)晶、窄帶隙電子受體材料NITI和具有強(qiáng)聚集和優(yōu)異電子傳輸特性的富勒烯受體PC71BM,三者形成了有利的梯度電子結(jié)構(gòu)和互補(bǔ)光吸收。經(jīng)器件優(yōu)化制備,上述三元器件在300nm最佳膜厚下取得最高13.63%(平均 13.20%)光電轉(zhuǎn)換效率,相對(duì)二元器件性能提升幅度高達(dá)51%和100%,這不僅是全小分子太陽(yáng)能電池的最高性能記錄,也是性能最優(yōu)的厚膜 (>200 nm) 有機(jī)太陽(yáng)能電池。他們聯(lián)合上海交通大學(xué)和瑞典林雪平大學(xué)相關(guān)課題組合作,提出“分級(jí)結(jié)構(gòu)”的三元活性層新形貌:NITI和BTR高度共混,形成有利于電荷分離的小相分離精細(xì)結(jié)構(gòu),PC71BM在BTR和NITI共混區(qū)外圍形成大尺度的相分離結(jié)構(gòu)和有利的face-on堆積。研究者證明了NITI受體在光電過(guò)程中發(fā)揮了重要作用,它一方面抑制BTR和PC71BM的接觸,使得三元器件獲得了和二元器件 (BTR:NITI) 相當(dāng)?shù)牡蛽p耗開(kāi)路電壓;PC71BM在活性層中形成了電子傳輸高速通路,將NITI分離的電子有效輸運(yùn)至電極,從而同時(shí)保證了高的外量子效率(EQEs) 和填充因子(FF)。(來(lái)源:中科院化學(xué)所)
圖1. 化學(xué)結(jié)構(gòu)、能級(jí)排布、吸收光譜和器件性能
總體而言,該工作設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了有機(jī)三元電池活性層新形貌,充分發(fā)揮了小分子和富勒烯電子受體在有機(jī)太陽(yáng)能電池中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高開(kāi)壓、高電流和高填充因子,為有機(jī)三元電池活性層形貌調(diào)控提供了新思路。
圖2. 分級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖和有機(jī)太陽(yáng)能電池性能統(tǒng)計(jì)
(責(zé)任編輯:子蕊)