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Nature Energy:形貌控制、厚膜高效,三元有机太阳能电池新突破
发布:haige__   时间:2018/9/11 23:43:43   阅读:306 
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自提出“本体异质结”活性层形貌控制策略以来,有机太阳能电池光电转化效率获取得大幅度的提高。具有带隙高度可调、质轻、柔性、低成本等显著特点的有机太阳能电池成为新一代光伏技术的重要发展方向。有机太阳能电池中实现光电转化的核心是由电子给体、受体材料组成的二元共混薄膜,但是受限于有机光伏材料“窄吸收”特性,二元共混薄膜难以实现对太阳能的宽光谱利用,并且始终存在共混(利于激子解离)和相分离(利于电荷传输)这对基础性矛盾,从而限制了有机光伏器件效率的进一步突破。
有机材料的带隙和吸收。图片来源:Wiley
为解决上述难题,研究人员发展了叠层电池和三元电池技术。有机叠层太阳能电池通过串联吸收光谱互补的子电池来拓宽太阳光吸收,减少有机太阳能电池热损耗偏高的问题。然而叠层电池制备工艺复杂,不利于未来有机太阳能电池的低成本产业化。三元有机太阳能电池保持了单节电池结构,在二元活性层中引入吸收互补的第三组分,拓宽光谱吸收。然而,尽管三元电池取得了一定成功,但仍面临着严峻的挑战。公认的核心问题是对三元共混薄膜难以实现清晰、有效的形貌控制,以保证同时实现高效的激子解离和电荷传输,因此,已报道三元电池性能提升幅度普遍偏低。
有机二元、叠层和三元太阳能电池器件示意图。图片来源:Wiley
2015年以来,中国科学院化学研究所朱晓张研究员(点击查看介绍)课题组基于A-Q-D-Q-A分子设计新理念发展了系列高性能噻吩并[3,4-b]噻吩 [1]类光伏给受体新材料 [2-4]。近日,他们联合上海交通大学刘烽特聘研究员(点击查看介绍)和瑞典Linkoping Univerity(林雪平大学)张凤玲教授(点击查看介绍)课题组在三元有机太阳能电池活性层形貌控制方面取得突破性进展。他们基于课题组前期发展的小分子电子受体材料NITI,合理选择二元体系,构筑了具有“分级结构”(hierarchical) 的三元活性层形貌,实现了光电转化效率的大幅提升,阐释了形貌对光电过程和器件参数的决定性影响。相关论文发表在 Nature Energy 杂志上,朱晓张研究员课题组博士研究生周子春和助理研究员许胜杰为共同第一作者。
(从左至右)朱晓张研究员、刘烽特聘研究员和张凤玲教授
如下图所示,三元共混薄膜分别选取了强结晶、宽带隙电子给体材料BTR,弱结晶、窄带隙电子受体材料NITI,以及具有自聚集和优异电子传输特性的富勒烯受体PC71BM,三者形成了理想的梯度电子结构和互补光吸收。经器件优化制备,上述三元器件在300 nm最佳膜厚下取得最高13.63%(平均 13.20%)光电转换效率,相对于对应的二元器件性能提升幅度高达51%和100%。这不仅是全小分子太阳能电池光电转化效率的最高性能记录,也是性能最优的厚膜(>200 nm)有机太阳能电池。
化学结构、能级排布、吸收光谱和器件性能。图片来源:Nature Energy
研究者通过掠入射X射线衍射(GIWAXS)、明场(BF)和高角环形暗场(HAADF)STEM电镜、共振软光X射线散射(RSoXS)技术探测活性层微观形貌,结合荧光光谱(PL)和电致发光光谱(EL)提出“分级结构”的三元活性层新形貌:NITI和BTR高度共混,形成有利于电荷分离的小相分离精细结构,PC71BM在BTR和NITI共混区外围形成大尺度的相分离结构和有利的face-on堆积。研究者证明NITI受体在光电过程中发挥了重要作用,它限制了BTR和PC71BM的直接接触,使得三元器件获得了和二元器件(BTR:NITI)相当的低开路电压损失;被NITI挤出的PC71BM在活性层中形成了连续的电子传输高速通路,将NITI分离的电子有效输运至收集电极,从而同时保证了高的外量子效率(EQE)和填充因子(FF)。
形貌表征。图片来源:Nature Energy
总体而言,该工作设计并证实了三元有机电池活性层新形貌,充分发挥了D-A型小分子和富勒烯电子受体在有机太阳能电池中的独特优势,同时实现了高开路电压、高电流和高填充因子,为有机三元电池活性层形貌调控提供了新思路。
分级结构示意图和有机太阳能电池性能统计。图片来源:Nature Energy
参考文献:
1. Zhang, C.; Zhu, X.* Thieno[3,4-b]thiophene-Based Novel Small-Molecule Optoelectronic Materials, Acc. Chem. Res., 2017, 50, 1281.
2. Xu, S.; Zhou, Z.; Liu, W.; Zhang, Z.; Liu, F.; Yan, H.; Zhu, X.* A Twisted Thieno[3,4-b]thiophene-Based Electron Acceptor Featuring a 14-π-Electron Indenoindene Core for High-Performance Organic Photovoltaics, Adv. Mater., 2017, 29, 1704510.
3. Liu, F.; Zhou, Z.; Zhang, C.; Zhang, J.; Hu, Q.; Vergote, T.; Liu, F.;* Russell, T. P.; Zhu, X.* Efficient Semitransparent Solar Cells with High NIR Responsiveness Enabled by a Small-Bandgap Electron Acceptor, Adv. Mater., 2017, 29, 1606574.
4. Liu, F.; Zhou, Z.; Zhang, C.; Vergote, T.; Fan, H.; Liu, F.;* Zhu, X.* A Thieno[3,4-b]thiophene-Based Non-fullerene Electron Acceptor for High-Performance Bulk-Heterojunction Organic Solar Cells, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 15523.

来源:x-mol 网
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