作者:张福俊等 来源:《国家科学评论》 发布时间:2021/2/9 16:52:11
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17.9%!最高效率之一的三元有机光伏器件

有机光伏器件因其成本低、质量轻、柔性、可大面积制备等优点受到广泛关注。近年来,得益于各种非富勒烯材料的出现,有机光伏器件得到迅速发展,已经达到商业化的“黎明前夕”。除了材料创新外,器件工程在太阳能电池性能提升方面也发挥了关键作用。利用三元策略,能够将兼容性较好的两种非富勒烯材料的优势集成到一种器件中,简单有效地提升器件性能。

自2013年以来,北京交通大学张福俊教授课题组致力于三元有机光伏材料与器件物理的研究,提出了研究三元体系内激子、载流子动力学过程的新方法,逐步澄清了三元器件材料甄选原则及器件工作机理。目前,张福俊教授课题组已经在全小分子,聚合物/小分子,双给体和双受体体系中验证了三元策略的普适性。研究表明,合适第三组分的引入不仅能拓展有源层的光子俘获范围,还能优化有源层中光生激子分布来平衡两种载流子的传输,精细调控相分离程度来提高激子解离效率,三元策略有望成为有机光伏器件产业化的首选方案。

近期,张福俊教授课题组基于兼容性较好的高效非富勒烯材料Y6及其衍生物Y6-1O为受体,宽带隙聚合物材料D18-Cl为给体,制备出效率为17.9%的三元有机光伏器件。该值是有机光伏器件最高效率之一。在该工作中,磁控光电流的方法被首次引入至三元体系,据此得出三元器件内电荷分离更加有效的结论,这为分析三元器件性能的提升提供了更为坚实的证据。该工作以“Approaching 18% efficiency of ternary organic photovoltaics with wide bandgap polymer donor and well compatible Y6:Y6-1O as acceptor”为题,发表在National Science Review上。

D18-Cl:Y6和D18-Cl:Y6-1O两种二元器件展现出了互补的短路电流密度(25.53 mA cm−2 vs. 22.72 mA cm−2),填充因子(75.88% vs. 73.14%)和开路电压(0.881 V vs. 0.929 V)。当第三组分Y6-1O在受体中的含量达到30 wt%时,器件性能达到最优。与主体系相比,三元器件的短路电流密度,填充因子和开路电压分别提升至25.87 mA cm−2,76.92%和0.900 V。除了增强的光子俘获外,适量Y6-1O的引入可同时优化有源层的相分离程度及分子排布,促使激子解离和载流子传输更为有效,器件性能得以提升。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa305

 
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