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内容

Adv.Mater. 香港科技大学颜河团队突破室内全聚合物太阳能电池效率实现惊人的 27% 转换效率

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摘要

室內光伏(IPVs)技年来备受关注,它能够利用室内光源,为各种电子设备提供持续的电力供应,例如智能手机、传感器、可穿戴设备等。全聚合物太all-PSCs)作为有机光伏的一种分支,以其优异的成膜性能、形貌稳定性和光稳定性等优点,成为室內光伏领域的重要研究方向。

全聚合物太阳能电池 (all-PSCs) 的特性和应用

全聚合物太阳能电池采用全聚合物活性层,即由两种聚合物(给体和受体)组成,与传统的有机太阳能电池相比,它具有以下优势: 

  • 优异的成膜性能: 全聚合物活性层能够形成均匀致密的薄膜,有利于光吸收和电荷传输。 
  • 形貌稳定性: 全聚合物活性层中,两种聚合物的相容性更好,更容易形成稳定、均匀的相分离结构,有利于激子解离和电荷传输。 
  • 光稳定性: 与传统的小分子受体相比,全聚合物受体材料的光稳定性更好,不易发生光降解,有利于提高器件的寿命。 

全聚合物太阳能电池具有广阔的应用前景如下: 

  • 室內光伏: 适用于各种室内环境,为智能家居、物联网设备等提供清洁能源。 
  • 柔性电子: 可以制成柔性太阳能电池,用于可穿戴设备、移动电源等。 
  • 透明太阳能电池: 可以制成透明太阳能电池,用于建筑物窗户、汽车天窗等。 

然而,受限于缺乏高性能宽带隙聚合物受体材料,全聚合物室內光伏电池的效率一直难以突破。香港科技大學顏河教授团队近期取得重大突破,成功研制出一种新型宽带隙聚合物受体材料,并将其应用于全聚合物室内光伏电池,实现了惊人的 27% 的能量转换效率 (PCE),刷新了全聚合物室内光伏领域的记录。该研究成果发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。 

这项研究的关键在于精确调控聚合物受体的分子内电荷转移效应和链内共平面度。颜河团队巧妙地设计合成了两种新型聚合物受体材料:PYFO-T PYFO-V。与传统的 PYF-T-o 相比,两种新型材料均表现出明显的蓝移吸收,更符合室内光伏的需求。其中,PYFO-V 具有更优越的链内共平面性和更紧密的链间堆叠,使其能够更有效地传输电荷,并具有更长的激子寿命,从而实现更高的外部量子效率 (EQE)

量子效率测量在研究中的重要作用

量子效率测量是评估材料性能和器件效率的关键手段。通过量子效率测量,研究人员能够获取关于激子解离效率、电荷收集效率、能量损失等关键信息,这些信息对于理解和优化器件性能至关重要。 

在颜河团队的研究中,量子效率测量扮演着至关重要的角色。研究人员通过测量 PM6:PYFO-V PM6:PYFO-T 两种体系的外部量子效率,发现 PYFO-V 的外部量子效率显著提高。这表明 PYFO-V 在电荷分离和传输方面的优势,从而解释了 PM6:PYFO-V 体系获得更高效率的原因。 

突破性的效率源于多方面的优化及其他表征手段补充完善研究结果

除了量子效率测量,颜河团队还采用了一系列先进的表征手段,例如掠入射广角 X 射线散射 (GIWAXS)、软 X 射线共振散射 (RSoXS)时间解析荧光光谱 (TRPL)、瞬态光电流 (TPC) 等,对材料和器件进行深入研究。通过综合分析这些数据,他们揭示了 PM6:PYFO-V 体系能够获得更高效率的原因,包括更快的电荷传输、更低的电荷复合率、更平衡的电子和空穴迁移率等。

Time-Resolved Photoluminescence (TRPL) 揭示材料内部的奥秘

Time-Resolved Photoluminescence (TRPL),即时间解析荧光光谱,是一种研究材料在光激发后发光强度随时间变化规律的技术。通过测量材料在受到光激发后发光强度的衰减曲线,可以获取材料内部激子寿命、能量转移过程、电荷复合等信息。 

TRPL 技术可以帮助研究人员了解材料内部的能量转移和电荷传输过程,例如激子在材料中的扩散距离、激子在给体和受体之间的转移速率、激子在材料中的寿命等。 

在颜河团队的研究中,TRPL 技术被用来研究 PM6:PYFO-V PM6:PYFO-T 两种体系的激子寿命。结果显示,PYFO-V 的激子寿命更短,这表明 PYFO-V 中的激子更容易发生解离,并更快地转化为自由电荷。 

虽然 TRPL 不能直接测量激子解离效率,但更短的激子寿命表明 PYFO-V 中激子转化为自由电荷的效率更高。这与量子效率测量结果相吻合,进一步证明了 PYFO-V 在电荷分离和传输方面的优势。 

其他表征手段补充完善研究结果: 

除了量子效率测量和 TR-PL 技术,颜河团队还运用了其他的表征手段来补充完善研究结果。例如:  

  • 掠入射广角 X 射线散射 (GIWAXS) 可以用来研究材料的结晶结构和分子堆积方式,帮助理解材料的形貌和光电特性。  
  • X 射线共振散射 (RSoXS)可以用来研究材料中的相分离结构,帮助理解电荷分离和传输的机制。  
  • 瞬态光电流 (TPC) 可以用来研究器件中的电荷传输和复合过程,帮助优化器件结构和材料选择。  

通过综合分析这些表征手段获得的数据,颜河团队成功地揭示了 PM6:PYFO-V 体系的高效率背后的原因,并为全聚合物室内光伏技术的发展提供了新的思路。 

全聚合物室内光伏技术的光明前景

这项研究不仅为全聚合物室內光伏電池的效率带来了突破,也为该领域的发展提供了新的思路。颜河团队的研究成果表明,通过精确调控聚合物受体的分子结构和链间堆积,可以实现更高效的电荷传输和更低的能量损失,从而获得更高的效率。 

未来,全聚合物室內光伏技術将向着更高的效率、更低的成本、更强的稳定性方向发展。量子效率测量技术也将不断发展,为研究人员提供更准确、更全面、更有效的工具,推动该领域不断取得突破。

本文参数图

Fig22

Fig. 22_ PYF-T-o 基于全聚合物太阳能电池在单太阳光照条件下的 J-V 特性曲线及其相应的 EQE 光谱研究了基于 PYF-T-o 的全聚合物太阳能電池的性能,分析其光電轉換效率和外部量子效率。

FigS23

Fig. S23_ (a) PM6:PYFO-V PM6:PYFO-T 的归一化电致发光 (EL) 和外部量子效率 (EQE) 光谱,用于准确计算带隙;(b) EL 量子效率随电流密度的变化;(c) PM6:PYFO-V PM6:PYFO-T 的总 Eloss 以及其对 ΔE1、ΔE2 ΔE3 值的详细分析。分析了器件的能量损失机制,研究了不同聚合物受体对能量损失的影响。

FigS26

Fig. S26_ (a) JSC 作为光强度的函数以及 PYFO-T PYFO-V 基全聚合物太阳能电池的功率律拟合 (JSC强度α)(b) VOC 作为光强度的函数以及用于确定理想因子的对数拟合。研究了器件的光强依赖性,分析其光电转换特性和电荷复合机制。

FigS24

Fig.S24_ 785 nm 激发下 PYFO-V 基薄膜的光致发光光谱研究了 PYFO-V 薄膜的光致发光特性,分析其荧光强度和寿命。

FigS25

Fig.S25_ 785 nm 激发下 PYFO-T 基薄膜的光致发光光谱研究了 PYFO-T 薄膜的光致发光特性,分析其荧光强度和寿命。

原文出处

ADVANCED ENERGY MATERIALS _ https://doi.org/10.1002/aenm.202400346

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