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中科院納米中心等在降低有機(jī)太陽能電池能量損失方面取得進(jìn)展
日期:2022-06-21   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:sy_liujinying 打印收藏評(píng)論(0)[訂閱到郵箱]
 近日,中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心等設(shè)計(jì)合成了兼具低能量損失和高能量轉(zhuǎn)換效率的非富勒烯小分子受體材料,為獲得高性能有機(jī)太陽能電池開辟了新的途徑。相關(guān)成果發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)。

前述研究由中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心納米系統(tǒng)與多級(jí)次制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員魏志祥、呂琨、朱凌云,與山東大學(xué)教授郝曉濤合作完成。研究結(jié)果表明,通過降低受體在光電轉(zhuǎn)換過程中的重組能,可有效降低非輻射復(fù)合和驅(qū)動(dòng)激子解離引起的能量損失,在開路電壓(VOC)高于0.93伏的情況下,效率可達(dá)18.2%,能量損失低至0.48電子伏特。這是迄今為止文獻(xiàn)報(bào)道效率超過17%的二元有機(jī)光伏體系中最小的能量損失。

目前,有機(jī)太陽能電池(OSCs)因重量輕、可溶液加工、半透明及柔性等優(yōu)點(diǎn)而受到關(guān)注。隨著材料設(shè)計(jì)的發(fā)展和器件工藝的優(yōu)化,基于Y-體系的非富勒烯受體的有機(jī)太陽能電池效率在二元器件中達(dá)18%以上,在三元器件中達(dá)19%以上。

然而,與無機(jī)和鈣鈦礦太陽能電池相比,有機(jī)太陽能電池的能量損失(即電壓損失)相對(duì)較大,成為限制有機(jī)太陽能電池光伏性能的瓶頸因素。目前,大多數(shù)高性能有機(jī)太陽能電池的開路電壓被限制在0.8至0.9伏,能量損失普遍大于0.5電子伏特。為了進(jìn)一步提高有機(jī)太陽能電池效率,需要深入了解能量損失的來源,并通過合理的分子設(shè)計(jì),進(jìn)一步降低能量損失。

有機(jī)太陽能電池的能量損失主要來自兩個(gè)方面:激子解離需要的驅(qū)動(dòng)力和非輻射復(fù)合。非輻射復(fù)合與電子-振動(dòng)耦合有關(guān)(即重組能λ,它描述了電子轉(zhuǎn)移過程中分子幾何形狀的變化,反映了電子與分子內(nèi)振動(dòng)之間的相互作用)。重組能在有機(jī)太陽能電池的整個(gè)光電轉(zhuǎn)換過程中具有重要作用,小的重組能有助于抑制非輻射符合,并可以減小激子解離所需的驅(qū)動(dòng)力。

近日,中科院國家納米中心等課題組以Y型非富勒烯受體為分子骨架,將苯并噻唑(BT)五元環(huán)核替換為喹喔啉(Qx)六元環(huán)核,設(shè)計(jì)合成了非富勒烯小分子受體Qx-1和Qx-2。

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a)Y6、Qx-1和Qx-2受體的化學(xué)結(jié)構(gòu);b)光電轉(zhuǎn)換過程中,不同電子態(tài)之間相互躍遷的重組能變化示意圖;c)理論計(jì)算的三個(gè)受體中不同電子態(tài)之間相互躍遷的重組能;d)效率統(tǒng)計(jì)分布圖;e)不同體系能量損失與效率統(tǒng)計(jì)圖,圖片來自中科大國家納米科學(xué)中心

通過理論計(jì)算與薄膜形貌、激子和電荷動(dòng)力學(xué)結(jié)果表明,前述兩種受體在光電轉(zhuǎn)換過程中的重組能顯著降低,有利于提高激子壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度,促進(jìn)電荷傳輸,抑制激子解離和非輻射復(fù)合帶來的能量損失。以聚合物PM6為給體,Qx-1和Qx-2為受體的二元有機(jī)光伏體系的能量損失分別降低到0.508和0.482電子伏特,且兩種體系的開路電壓均達(dá)到0.9伏以上,能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)18%以上。

前述研究揭示了減小重組能對(duì)于降低有機(jī)太陽能電池能量損失的重要性,為進(jìn)一步提高有機(jī)太陽能電池效率提供了新策略。

原標(biāo)題:中科院納米中心等在降低有機(jī)太陽能電池能量損失方面取得進(jìn)展
 
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來源:澎拜新聞
 
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