作者:刘烽等 来源:《自然-材料》 发布时间:2022/5/6 8:30:49
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科学家实现19.6%单结有机太阳能电池

 

北京时间2022年5月5日,上海交通大学刘烽教授与北京航空航天大学孙艳明教授、帝国理工颜骏博士合作在Nature Materials上发表了题为“Single-junction organic solar cells with over 19% efficiency enabled by a refined double-fibril network morphology”的研究论文。

在这项研究中,作者通过创制双纤维网络形貌,实现了有机光伏薄膜形貌特征尺度与光物理核心参数的匹配,促进了激子、载流子的高效率利用,降低了复合损失常数,器件效率获得了突破。论文的通讯作者是刘烽、孙艳明、颜骏;第一作者是朱磊、张明、徐锦秋。

近年来,有机光伏领域因新型受体材料的开发而迅速发展,器件光电转换效率不断提高。由于有机半导体中激子的本征物理特性(库伦束缚、扩散漂移、界面解离),以及有机半导体薄膜较低的迁移率,给受体共混异质结薄膜形貌一直是影响器件性能的关键因素。上海交通大学刘烽团队在香蕉型Y6类受体特殊的类聚合物堆积形态的基础上,针对复杂多尺度形貌优化及高效器件的制备开展了一系列的工作(Adv. Energy Mater. 10, 1904234, 2020; Adv. Mater. 33, 2007177, 2021; Nat. Commun. 12, 309, 2021)。

L8-BO是一种新型Y6类受体,分子的弧外长支化侧链引入了更强的烷基侧链相互作用,调整了分子在晶格中的组合序列,并且使得分子堆积更加紧密,主链间的空间更小。这种特殊的多重分子间作用力,使得多个邻近二聚体交织形成了大长径比的组装结构,呈现长周期的对称性,并且对局部排列缺陷具有更高的耐受性(图1)。这些性质使得L8-BO易于形成长针状的单晶结构,且在薄膜中保留了这种大长径比的自组装特性,更易于形成似聚合物的纤维状结构。

图1:L8-BO分子在单晶中的大长径比结构

因此,在PM6:L8-BO共混体系中,双纤维网络形貌被首次成功构建,器件效率突出(Nat. Energy 6, 605–613, 2021)。研究发现,普通的二元共混薄膜中仍然存在激子和载流子扩散能力不平衡的问题,并且活性层中的双纤维网络特征尺寸不能适配光电物理参数,因此器件效率仍有提升空间。研究团队将D18作为第三元组分加入二元共混体系中,协同改善给受体的结晶性质,平衡给受体端激子和载流子的扩散长度(图2),使得器件多维参数适配性显著提高。

图2:材料及体系中的激子扩散长度

同时,D18的加入促进形成了更加密集的双纤维网络结构(图3),纤维间隙中的共混相特征尺寸仅为5 nm,能更好地适配激子和载流子的传输性质,降低复合常数。密集的给受体纤维交织形成了电子和空穴传输的高速通道,且共混相较小的特征尺寸能更好地与激子载流子的扩散能力匹配,保证解离后的载流子能快速扩散到晶区进行传输,因此获得了效率的显著提升。

图3:活性层薄膜中的双纤维网络形貌

通过双纤维网络策略制备的有机太阳能电池光电转换效率达到19.6%,填充因子接近82%,该结果由福建省计量科学研究院国家光伏产业计量测试中心(NPVM)进行认证,是现阶段单结有机太阳能电池报道的最高效率。该研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、上海市科委、山东省科学基金的资助。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41563-022-01244-y

 
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