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2022 Energy Environ. Sci.:三元策略如何提高刚性和柔性有机太阳能电池的效率?

标题- 实现高效刚性和柔性有机太阳能电池的三元策略

第一作者:段晓鹏/孙艳明老师课题组

本文亮点

  • 利用三元策略,刚性有机太阳能电池(OSCs)和柔性OSCs的效率分别达到18.69%(认证效率为18.2%)和16.07%,均属于当前研究的較高效率之一。
  • 本文报道的三元OSCs的电压损失(Vloss)值比两种二元OSCs的都要低,而目前文献中报道的大多数三元器件的Vloss值位于两种二元器件之间,这是我们的独特优势。

研究动机

  有机太阳能电池(OSCs)作为新一代光伏技术,因其成本低、溶液可加工性和机械灵活性等优点而受到广泛关注。然而,由于OSCs电压损失(Vloss)较大,开路电压作为决定OSCs性能的重要参数,却仍然明显低于无机或钙钛矿太阳能电池。此外,大多数三元设备的Vloss位于两个二元器件之间,这不可避免地限制了器件效率的进一步提高。为了解决这一问题,我们引入了一种非富勒烯受体ZY-4Cl来调节给体/受体共混体系的微观结构和分子填充。相应的三元器件具有较低的缺陷态密度和较低的非双生复合,从而获得明显低于两种二元器件的Vloss值。

本文所用仪器

  •  SS-F5-3A, Enlitech

  • QER3011, Enlitech

研究成果说明

  近几十年来,有机太阳能电池(OSCs)作为新一代光伏技术因其可溶解加工性和机械灵活性的优势而受到广泛关注,使可穿戴电子设备的低成本和大面积制造成为可能。通过新颖的分子设计、适当的形态优化和界面工程,性能較好的OSCs的功率转换效率(PCE)已超过18%。

  三元共混策略是一种广泛应用的改进OSCs共混性能的方法。利用三元策略增强共混膜的光收集,可有效提高短路电流密度(Jsc)。但由于新兴的非富勒烯受体大多具有良好的光捕获能力,因此Jsc的改进空间不大。       

  另一方面,三元OSCs的开路电压(Voc)一般限制在0.9 V,明显低于无机或钙钛矿太阳能电池。在OSCs中,相对较低的Voc主要是由于高电压损耗(Vloss)。因此,抑制Vloss是进一步提高OSCs性能的关键。一般来说,太阳能电池的Vloss来自于载流子的辐射和非辐射复合。其中,非辐射复合是OSCs的主要复合机制,陷阱态也通常作为非辐射复合中心。更值得注意的是,在柔性电子器件中,与缺陷态有关的Vloss更为明显,而缺陷态的密度对电荷输运、载流子扩散和光伏性能的影响尤为显著,这对柔性OSCs的PCE改进提出了严峻的挑战。从这个角度来看,有效地降低缺陷态密度以抑制非辐射复合对实现高效率的刚性和柔性OSCs都至关重要。

图1.给受体分子结构式,吸收及能级分布

  因此,北航孙艳明教授团队通过在PM6:BTP-eC9共混体系中加入非富勒烯受体ZY-4Cl,制备了高效的三元OSCs。与二元共混体系相比,三元共混表现出级联的LUMO能级排列和互补吸收。此外,三元共混体系的缺陷态密度显著降低,活性层形态得以优化,这促进了电荷的提取和输运。缺陷态密度的降低也使电压损失得以抑制,从而使三元器件具有较高的Voc因此,优化后的三元设备的PCE达到18.69%,远远高于主体二元器件效率 (17.72%)。值得注意的是,三元OSCs的Vloss值比任何一种二元设备都要低,这在目前的报道中很少见。除此以外,基于三元体系的柔性OSCs的PCE值可达16.07%,并且具有良好的弯曲耐久性。

相关器件的光伏性能

图2.相关器件的光伏性能

  研究发现,随着ZY-4Cl含量的增加,三元OSCs的Voc逐渐增加。在ZY-4Cl浓度为12 wt%的三元太阳能电池中,較高效率达到18.69%(认证效率为18.2%,这是目前报道的較高结果之一。而基于PM6:BTP-eC9和PM6:ZY-4Cl的二元器件的效率分别为17.72%和2.32%。值得注意的是,尽管基于PM6:ZY-4Cl的太阳能电池光电转换效率很低,但它高达1.012 V的Voc是三元器件Voc提升的关键原因。计算得出,三元设备的缺陷态密度为1.089×1016 cm-3,显著低于二元设备(1.136×1016 cm-3),这也使得三元具有更低的非辐射复合电压损失(0.198 V vs. 0.214 V)。

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图3.柔性器件表征

  研究还发现,三元柔性器件的效率可达16.07%,这是目前柔性器件的較高效率值之一。与基于PM6:BTP-eC9的太阳能电池相比,三元器件的效率更高同样可以归因于更高的Voc,这是Vloss降低的结果。最后,我们通过将柔性装置反复弯曲到一定曲率半径(r)来评估柔性装置的机械稳定性,如图3所示。结果表明,在r为5 mm的情况下,连续弯曲1000次后,柔性器件的PCE值仍为初始值的95.6%,当r减小到2.5 mm时,PCE值仍能保留90%。这表明基于PM6:BTP-eC9:ZY-4Cl的柔性三元混合体系具有较高的抗弯耐久性。

通讯作者简介

孙艳明,北京航空航天大学化学学院教授、博士生导师。2002年本科毕业于山东大学化学学院。2007年获中国科学院化学研究所物理化学专业博士学位。之后分别在英国曼彻斯特大学和美国加州大学圣芭芭拉分校从事博士后研究。2013年入选中组部“青年千人计划”,同年9月份回到北航工作。2018年度获批国家杰出青年科学基金。主要从事有机光电功能材料与器件的研究工作,提出了“聚合物纤维网络结构调控太阳能电池活性层相分离”的新策略。在Nature Mater., Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv.Mater.,等杂志上发表SCI 论文120余篇。论文被Nature,Science等杂志引用10000余次,单篇較高引用超过1000次;2017年作为客座编辑在传统高分子杂志Macromol. Rapid Comm.上组织“未来青年科学家”专刊。此外还受邀担任Macromol. Chem. Phy.杂志的国际顾问编委。

葛子义,中科院宁波材料所二级研究员、博导,国家杰出青年基金获得者、英国皇家化学会会士。近年来在Nature Photonics、Chem. Soc. Rev.、Joule、Adv. Mater.、Angew. Chem.等期刊上发表SCI论文180余篇,申请发明专利50多项,撰写中英文专著章节4部。主持包括国家杰出青年科学基金、国家重点研发计划-政府间专项、基金委联合基金重点项目、5项国家自然基金面上项目、中科院前沿重点项目、宁波市2025重大专项等。获得浙江省自然科学二等奖(排名第一)、中国光学重要成果奖等。担任Science China Chemistry、InfoMat、The Innovation等6本期刊编委。兼任有机光电材料与器件国际会议大会主席、浙江省青年高层次人才协会常务理事。40多次受邀做著名学术会议邀请报告。

本文关键词:三元策略、ternary strategy、有机太阳能电池、organic solar cell、量子效率、Quantum Efficiency、太阳光模拟器、Solar Simulator、Sun Simulator

原文:https://doi.org/10.1039/D1EE03989J

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