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太阳能的新纪元:TCB-ISM在有机太阳能电池中实现突破性的19.31%效率

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本文重点:

  1. TCB-ISM策略成功提高有机太阳能电池的效率:研究人员使用四氯苯(TCB)作为添加剂,发现TCB-ISM策略可以改善活性层的形态,增加结晶度并平衡电荷传输,从而提高功率转换效率。

  2. TCB-ISM策略在各种有机太阳能电池系统中具有广泛适用性:研究中的五种不同有机太阳能电池系统均显示,经过TCB处理的器件在光伏性能上优于经过DIO处理的器件。这凸显了TCB-ISM策略在光伏行业实际应用中的潜力。

    近年来,由于低成本、轻便和灵活的能源生成潜力,有机太阳能电池(OSCs)吸引了广泛的关注。加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA)材料科学与工程系的杨阳教授和智能能源研究所(RISE)电子与信息工程系的李刚教授带领的研究团队,包括傅杰豪、黄介思等人,进行了一项开创性研究,实现了前所未有的19.31%功率转换效率(PCE),为二元有机太阳能电池创下了新纪录。这一非凡成果得益于创新的四氯苯诱导中间态管理(TCB-ISM)处理方法。值得注意的是,19.31%的PCE值已由光焱科技光电校准实验室独立认证,达到了18.93%的效率。
    
    研究人员探索了各种给体-受体(D:A)混合物和处理条件,以优化有机太阳能电池的分子堆叠和形态。与传统处理方法(如使用溶剂添加剂1,8-二碘辛烷[DIO])相比,新颖的TCB-ISM技术显著提高了有机太阳能电池的性能和稳定性。TCB-ISM处理中观察到的独特非单调中间态转变促进了更有序的分子堆叠和改善的电荷传输,从而实现了创纪录的PCE。
    

    研究團隊使用了光焱科技的先进分析设备—傅里叶变换光电流光谱仪(FTPS,PECT-600)和钙钛矿与有机光伏Voc损失分析系统(REPS,ELCT-3010)。这些先进的设备使研究人员能够准确测量有机太阳能电池的性能和能量损失参数,确保其结果的可靠性。

    此外,该研究通过将TCB-ISM策略应用于其他五个有机太阳能电池系统,包括全小分子系统(BTR-Cl:Y6)和各种聚合物:非富勒烯体系(PBDB-T:ITIC,PBDB-T-2Cl:IT-4F,PM1:BTP-eC9和PM6:BTP-eC9),展示了TCB-ISM策略的多功能性。在所有情况下,经过TCB-ISM处理的器件表现出比经过DIO处理的对应器件更出色的光伏性能。特别是PM1:BTP-eC9和PM6:BTP-eC9体系分别实现了19.10%和19.31%的PCE,进一步强调了TCB-ISM在推动有机太阳能电池技术方面的潜力。

    除了改善的PCE之外,经过TCB-ISM处理的器件还展示了增强的稳定性,其中基于PM6:BTP-eC9的有机太阳能电池在经历了1000小时的模拟1太阳光照压力测试(在最大功率点[MPP]处进行)后,仍保持其初始效率的78%。这种增强的稳定性归因于TCB-ISM诱导的均匀分子聚集和更高的结晶度,以及混合膜中不存在残留的TCB。

    综上所述,这项开创性研究展示了TCB-ISM处理在实现有机太阳能电池创纪录功率转换效率方面的巨大潜力。通过利用光焱科技的先进分析设备,包括FTPS(PECT-600)和REPS(ELCT-3010),研究人员能够准确表征和优化这些创新有机太阳能电池的性能。随着持续的研究和发展,TCB-ISM策略可能为下一代高效、稳定和经济实惠的太阳能解决方案铺平道路。
    

a. 基于PM1:BTP-eC9的经DIO处理和经TCB处理的OSC的J-V曲线。
b. 基于PM6:BTP-eC9的经DIO处理和经TCB处理的OSC的J-V曲线。
c. 在不同注入电流密度下的OSC的EQEEL。
d. 基于PM1:BTP-eC9的经DIO处理和经TCB处理的OSC的能量损失的详细信息。
e. 基于PM6:BTP-eC9的经DIO处理和经TCB处理的OSC的VOC损失的详细信息。
f. 具有超过18%效率的报告的OSC中的PCE与∆E3的比较。
g. 对经不同处理的基于PM6:BTP-eC9的OSC进行的光稳定性测试,所有OSC都被封装,并在空气中持续照射等于1个太阳的光照下储存。

推荐仪器:REPS _ 钙钛矿与有机光伏Voc损耗分析系统太阳光模拟器QE-R 量子效率测量系统

推荐软件:KA6000 钙钛矿太阳能电池 IV 测量和分析软件

本文关键词: 有机太阳能电池、 PCE、 organic solar cells (OSCs) 、量子效率、Quantum Efficiency

原文: https://www.nature.com/articles/s41467-023-37526-5#Fig1

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