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“塑料”太陽(yáng)能電池!南京大學(xué)在有機(jī)光伏材料領(lǐng)域取得重大突破
日期:2022-06-23   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:sy_wuqianxi 打印收藏評(píng)論(0)[訂閱到郵箱]
 太陽(yáng)能是綠色環(huán)??沙掷m(xù)清潔能源,太陽(yáng)能光伏發(fā)電已成為新興產(chǎn)業(yè)。利用晶硅等無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的傳統(tǒng)光伏發(fā)電造價(jià)昂貴,科學(xué)家便把目光轉(zhuǎn)向有機(jī)材料太陽(yáng)能電池領(lǐng)域。如何實(shí)現(xiàn)更高的光電轉(zhuǎn)化效率,設(shè)計(jì)制備新的有機(jī)光電材料,需要弄清楚發(fā)電的微觀過(guò)程。近日,南京大學(xué)物理學(xué)院團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)最新成果,揭示了高效有機(jī)光伏材料光電轉(zhuǎn)換過(guò)程的新機(jī)制,在線發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)志》上?!缎氯A日?qǐng)?bào)》對(duì)此進(jìn)行了報(bào)道。

中國(guó)科學(xué)家領(lǐng)先有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域

什么是有機(jī)光伏材料?論文通訊作者、南京大學(xué)物理學(xué)院張春峰教授科普道,常見(jiàn)高效的有機(jī)光伏器件采用聚合物給體和小分子受體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),小分子受體材料又包括富勒烯衍生物受體材料和非富勒烯受體材料。

張春峰說(shuō),由這些有機(jī)光電材料組成的器件具有良好的延展性,類似塑料用來(lái)發(fā)電。"這種材料超薄、柔性,還可折疊,原則上可以貼在車窗表面,也可以像衣服一樣穿在身上,低成本、輕便還容易攜帶,如果提高這種塑料材料的發(fā)電效率,那以后大到太陽(yáng)能建筑、太陽(yáng)能汽車,小到可穿戴設(shè)備、我們的手機(jī)殼,都可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地輕松發(fā)電。"

"在過(guò)去,富勒烯衍生物受體材料因具有良好的電子傳輸性能受到學(xué)界熱切關(guān)注,但因其可見(jiàn)光吸收弱、調(diào)節(jié)能級(jí)較難等缺點(diǎn),能量轉(zhuǎn)化率最高只達(dá)到11%-12%,繼續(xù)發(fā)展遭遇瓶頸。"張春峰告訴記者,近些年中國(guó)學(xué)者獨(dú)辟蹊徑,發(fā)展了多種非富勒烯受體,器件性能取得了很大突破。受益于非富勒烯受體的開(kāi)發(fā),單節(jié)器件的能量轉(zhuǎn)換效率已超過(guò)18%,效率甚至可以跟硅基薄膜技術(shù)相比擬,"可以說(shuō),在有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域,中國(guó)科學(xué)家處于比較領(lǐng)先的位置。"

非富勒烯受體材料大幅提高了有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率,但至今為止,光電轉(zhuǎn)換的動(dòng)力學(xué)原理還并不清晰。這種塑料材料太陽(yáng)能電池內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換可謂倏忽一瞬,如何捕捉其內(nèi)部的變化過(guò)程?有機(jī)材料接受了光以后,又是如何發(fā)電的?

為了了解該過(guò)程,張春峰團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了極其精細(xì)的超快光譜工作,通過(guò)"慢動(dòng)作"觀察到光子到電子的轉(zhuǎn)換過(guò)程。張春峰打了個(gè)比方說(shuō),實(shí)驗(yàn)使用了10飛秒的超快脈沖激光光譜學(xué),相當(dāng)于一臺(tái)極快的"相機(jī)",一秒鐘產(chǎn)生10的14次方的圖像,這樣可以將一些微小瞬時(shí)的變化信息完整記錄,動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)了光子轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)力學(xué)行為。

"過(guò)去大家認(rèn)為界面態(tài)對(duì)光電轉(zhuǎn)換很重要,在實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn),非富勒烯體系中,空穴轉(zhuǎn)移過(guò)程中體態(tài)貢獻(xiàn)同等重要。"張春峰表示,實(shí)驗(yàn)明確了分子聚集態(tài)在光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中的重要作用,調(diào)控疇內(nèi)和界面間激發(fā)態(tài)的能級(jí)排列和相互作用有望成為優(yōu)化有機(jī)光伏器件性能的新策略,這個(gè)過(guò)程的厘清,能幫助大家重新設(shè)計(jì)一些新的材料,從而進(jìn)一步提高有機(jī)材料的光電能量轉(zhuǎn)換效率。

拓展閱讀

張春峰,南京大學(xué)物理學(xué)院教授。2010年起開(kāi)始在南京大學(xué)物理學(xué)院任職,2015年在美國(guó)科羅拉多大學(xué)JILA研究所訪學(xué)。

主持參加國(guó)家自然基金委,科技部重大研究計(jì)劃等多項(xiàng)研究課題,在Nature Energy,Nature Commun., J.Am.Chem.Soc., Angew.Chem., Phys.Rev.Lett. Adv. Mater. 等重要學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文120余篇,引用4000余次(H index = 34),曾擔(dān)任 Nature Chem., Nature Commun.,JACS, Angew.Chem.,Adv. Mater. 等期刊審稿人, 2009年入選教育部新世紀(jì)人才計(jì)劃,2016年獲得江蘇省杰出青年項(xiàng)目支持,2019年獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年基金支持。

課題組以超短脈沖為基礎(chǔ),發(fā)展泵浦探測(cè),時(shí)間分辨熒光,二維相干光譜等超快光譜學(xué)方法,結(jié)合低溫、強(qiáng)磁、高壓等技術(shù)條件,研究半導(dǎo)體光電材料中的瞬態(tài)光物理響應(yīng)。目前工作集中在研究量子相干特性、自旋多重性以及界面能量電荷轉(zhuǎn)移等物理過(guò)程,尋求突破現(xiàn)有光電轉(zhuǎn)換效率, 信息存取速率限制的新機(jī)制開(kāi)展以能源信息應(yīng)用為目標(biāo)的基礎(chǔ)研究。

部分素材來(lái)源于

新華日?qǐng)?bào)、南京大學(xué)微納光學(xué)與超快光學(xué)實(shí)驗(yàn)室



原標(biāo)題:“超快相機(jī)”揭秘未知原理,南大團(tuán)隊(duì)在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域取得重大突破!
 
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