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化学所等在三元有机太阳能电池活性层形貌控制方面取得重要进展
更新日期:2018-09-30  

  中国科学院化学研究所朱晓张课题组联合上海交通大学刘烽和瑞典林雪平大学张凤玲课题组在有机太阳能电池研究中取得重要进展。研究成果以“High-efficiency Small-molecule Ternary Solar Cells with a Hierarchical Morphology Enabled bySynergizing Fullerene and Non-fullerene Acceptors”(利用富勒烯和非富勒烯电子受体形成分级形貌实现高性能小分子三元太阳能电池)为题,于910日在《自然·能源上发表(Nature Energy, 2018, DOI: 10.1038/s41560-018-0234-9)。 

  . 分级结构示意图和有机太阳能电池性能统计 

  三元有机太阳能电池保持了单节器件结构,在二元活性层中引入吸收互补的第三组分,可以有效增强光谱吸收,实现对太阳能的有效宽光谱利用。其核心问题在于对三元共混薄膜难以实现精准的形貌控制,导致无法同时保证高效的激子解离和电荷传输。 

  研究者分别选取了强结晶、宽带隙电子给体材料,弱结晶、窄带隙噻吩并噻吩类电子受体材料和具有强聚集和优异电子传输特性的富勒烯受体制备了三元共混薄膜,三元体系形成了有利的梯度电子结构和互补光吸收,在300 nm最佳膜厚下取得最高13.63%光电转换效率,相对二元器件性能提升幅度高达51%100%。他们提出“分级结构”的三元活性层多尺度、多层次聚集新结构模型并通过实验予以验证:小分子给受体材料高度共混,形成有利于电荷分离的微相分离精细结构,富勒烯在共混区外形成大尺度的相分离结构。研究揭示噻吩并噻吩类电子受体材料在光电转换过程中的重要作用,即抑制给体和富勒烯受体的接触,使得三元器件获得了低损耗开路电压;富勒烯在活性层中形成电子传输高速通路,将电子有效输运至电极,从而保证高的外量子效率和填充因子。值得注意的是,在厚膜体系能够获得高光电转换的结果对于大面积制备和潜在应用有重要意义。 

  (来源:国家自然科学基金委