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南昌大學(xué)諶烈教授團(tuán)隊(duì) EES:分子量調(diào)控的順序沉積策略實(shí)現(xiàn)半透明有機(jī)太陽(yáng)能電池光利用效率突破5%
2022-10-02  來(lái)源:高分子科技

  與無(wú)機(jī)半導(dǎo)體和鈣鈦礦材料相比,有機(jī)半導(dǎo)體具有不連續(xù)的吸收特性,這使得它們?cè)谥苽浒胪该髌骷矫婢哂歇?dú)特的優(yōu)勢(shì);谟袡C(jī)半導(dǎo)體材料的半透明有機(jī)太陽(yáng)能電池(ST-OSC)可應(yīng)用于外窗玻璃、建筑立面等建筑表面,實(shí)現(xiàn)多樣化的能量轉(zhuǎn)換途徑。通常,半透明有機(jī)太陽(yáng)能電池實(shí)際應(yīng)用的臨界平均可見(jiàn)光透射率(AVT)應(yīng)大于25%,但由于光吸收和光透過(guò)之間的權(quán)衡,而高的平均可見(jiàn)光透射率總是會(huì)導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)的顯著下降。而對(duì)于理想的半透明有機(jī)太陽(yáng)能電池器件,它應(yīng)該充分利用不可見(jiàn)光子來(lái)最大化PCE,并最大化可見(jiàn)光子的透過(guò)以獲得高的AVT,從而實(shí)現(xiàn)光利用效率(LUE)的提升。如何實(shí)現(xiàn)這些參數(shù)的平衡是目前半透明有機(jī)太陽(yáng)能電池發(fā)展存在的巨大挑戰(zhàn)。


 1. (a) 聚合物給體 PCE10-2F、小分子受體 Y6、添加劑CN 和 DIO的化學(xué)結(jié)構(gòu)。(b) 不同分子量的 PCE10-2FY6純膜的歸一化紫外-可見(jiàn)吸收光譜。(c) 聚合物給體和受體的能級(jí)排布。(d)共混旋涂,(e)順序沉積處理方法的示意圖和相應(yīng)的SEM圖像。(f) 分子量調(diào)節(jié)的順序沉積策略演示圖。


  針對(duì)這一難題,南昌大學(xué)諶烈教授研究團(tuán)隊(duì)首次提出了使用分子量調(diào)節(jié)的高效順序沉積(SD)策略來(lái)提升半透明有機(jī)太陽(yáng)能電池的性能。首先,他們合成了四批不同分子量的窄帶隙聚合物給體PCE10-2F。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),調(diào)控分子量可以微調(diào)聚合物給體的結(jié)晶度,不僅有利于形成致密、堅(jiān)固的薄膜以實(shí)現(xiàn)高效的順序沉積工藝,而且還可以合理控制給體/受體(D/A)相容性實(shí)現(xiàn)有利的界面接觸和增強(qiáng)電荷解離和傳輸。再結(jié)合雙添加劑優(yōu)化的受體 Y6 薄膜,進(jìn)一步提高了活性層在不可見(jiàn)光區(qū)域的選擇性吸收,因此順序沉積加工的器件整體性能都優(yōu)于共混旋涂加工的器件,這得益于活性層良好的形貌和更小的能量損失;陧樞虺练e策略處理的PCE10-2F/Y6不透明器件實(shí)現(xiàn)了高達(dá)14.53%PCE,獲得了基于PCE10體系全窄帶隙活性層的最高效率。同時(shí),通過(guò)對(duì)于器件光學(xué)模擬的研究表明,順序沉積的工藝更有利于對(duì)單個(gè)層進(jìn)行方便和精確的控制,以優(yōu)化可見(jiàn)光的傳輸,并且同時(shí)限制器件性能的下降。從而相應(yīng)的半透明有機(jī)太陽(yáng)能電池獲得了11.11%~10.01% 的高 PCE 和 39.93%~50.05%的高 AVT。更重要的是,制備的半透明器件獲得了PCEAVT的有效平衡,無(wú)需復(fù)雜的光學(xué)調(diào)控,實(shí)現(xiàn)了LUE超過(guò)5%,為半透明有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的最佳性能。這些結(jié)果表明,分子量調(diào)控的順序沉積法是實(shí)現(xiàn)高性能半透明有機(jī)太陽(yáng)能電池一種簡(jiǎn)單且高效的策略。 


2. (a) 半透明器件的結(jié)構(gòu)示意圖和J-V 曲線, (b)在CIE 1931xy 色度圖上的顏色坐標(biāo), (c) 使用背景和半透明有機(jī)太陽(yáng)能電池器件過(guò)濾后的照片模擬的智能發(fā)電窗口應(yīng)用場(chǎng)景。


  相關(guān)成果發(fā)表在能源與環(huán)境領(lǐng)域國(guó)際頂刊Energy  Environmental Science。論文的第一作者為南昌大學(xué)博士研究生黃學(xué)祥,南昌大學(xué)諶烈教授為唯一通訊作者,南昌大學(xué)為唯一通訊單位,合作者為韓國(guó)高麗大學(xué)Han Young Woo課題組。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1039/D2EE02392J

  下載:Molecular Weight-regulated Sequential Deposition Strategy Enables Semitransparent Organic Solar Cells with Light Utilization Efficiency over 5%

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