有機(jī)太陽(yáng)能電池因其輕質(zhì)柔性、可采用低成本涂布技術(shù)實(shí)現(xiàn)大面積生產(chǎn)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。近年來(lái),通過(guò)開(kāi)發(fā)新型光活性層材料以及對(duì)其聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的有效調(diào)控,有機(jī)太陽(yáng)能電池的光伏效率取得了不斷突破。然而,日漸成熟的分子設(shè)計(jì)策略使得光伏材料的分子結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜,使其面臨成本過(guò)高和難以大批量制備等難題,成為制約有機(jī)光伏技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素。
經(jīng)典的導(dǎo)電聚合物聚(3-己基噻吩)(P3HT)已實(shí)現(xiàn)了低成本批量生產(chǎn),是實(shí)現(xiàn)有機(jī)太陽(yáng)能電池應(yīng)用最具潛力的聚合物給體之一,近年來(lái)非富勒烯受體(NFA)的大量涌現(xiàn)也為有效提高其光伏效率提供了可能性,然而,由于大部分NFA與P3HT之間的相容性過(guò)強(qiáng)而致使二者在活性層中無(wú)法形成可以高效傳輸載流子的連續(xù)通道,基于P3HT:NFA的有機(jī)太陽(yáng)能電池的光伏效率仍然較低,無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。因此,通過(guò)材料設(shè)計(jì)或形貌優(yōu)化手段調(diào)節(jié)P3HT與NFA之間的相容性是提高基于P3HT有機(jī)太陽(yáng)能電池光伏性能的關(guān)鍵。
近日,中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所侯劍輝研究員和北京科技大學(xué)張少青副教授等人在先前報(bào)導(dǎo)過(guò)的P3HT:ZY-4Cl體系(Energy Environ. Sci., 2020, 13, 2864.)中,采用可揮發(fā)性固體添加劑,SA4,誘導(dǎo)活性層分子堆積更加有序,實(shí)現(xiàn)了基于P3HT的有機(jī)太陽(yáng)能電池光伏效率10%的突破。差示掃描量熱(DSC)和原子力顯微鏡(AFM)測(cè)試結(jié)果表明SA4主要與受體ZY-4Cl相互作用,對(duì)其聚集態(tài)結(jié)構(gòu)有明顯的影響。與傳統(tǒng)的液體添加劑1,8-二碘代辛烷(DIO)相比,SA4與DIO對(duì)ZY-4Cl的光學(xué)和結(jié)晶特性具有相似的作用,但對(duì)活性層微觀形貌的影響卻大有不同。研究結(jié)果表明,可揮發(fā)性固體添加劑SA4的引入使得活性層分子堆積更加有序,可形成更加有利的相分離形貌,從而促進(jìn)電荷傳輸并抑制載流子復(fù)合,獲得更高的短路電流和填充因子。另外,SA4的引入還可以減少器件的能量損失,有利于開(kāi)路電壓的提升。因此,固體添加劑SA4的使用使得P3HT:ZY-4Cl器件的三項(xiàng)光伏參數(shù)均有所提升,最終實(shí)現(xiàn)了10.24%的記錄效率,展現(xiàn)了基于P3HT的有機(jī)太陽(yáng)能電池良好的發(fā)展前景。
圖1 基于P3HT的有機(jī)太陽(yáng)能電池的光伏效率超過(guò)10%。
該研究結(jié)果近期發(fā)表在ChemSusChem。論文的第一作者為北京科技大學(xué)博士研究生楊晨熠,通訊作者為侯劍輝研究員和張少青副教授。
Citation: Chenyi Yang, Runnan Yu, Chenyu Liu, Hao Li, Shaoqing Zhang, Jianhui Hou. Achieving over 10% Efficiency in Poly(3-hexylthiophene)-based Organic Solar Cells via Solid Additives. ChemSusChem, 2021, 14, DOI: 10.1002/cssc.202100627.
論文鏈接: https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cssc.202100627
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