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有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)打開一扇門,北大團(tuán)隊(duì)研發(fā)新型非富勒烯光伏
日期:2022-12-08   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:yutianyang_tsj 打印收藏評(píng)論(0)[訂閱到郵箱]
發(fā)展可再生能源,是實(shí)現(xiàn)國家 " 雙碳 " 戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵。太陽能作為一種取之不盡、分布廣泛、綠色無害的可再生能源,一直受到極大的關(guān)注。

有機(jī)太陽能電池是一種新型薄膜太陽能電池,具有成本低、質(zhì)量輕、環(huán)境友好、可實(shí)現(xiàn)半透明、可采用卷對(duì)卷印刷制備大面積柔性器件等突出優(yōu)點(diǎn),在分布式光伏和 " 光伏 +" 應(yīng)用方面前景廣闊。

而有機(jī)太陽能電池的活性層,一般由電子給體和電子受體這兩類有機(jī)半導(dǎo)體材料組成。

當(dāng)前,有機(jī)半導(dǎo)體材料,已被廣泛用于多個(gè)領(lǐng)域。不過,其介電常數(shù)一般較低 ( ε ~ 2-4),在光激發(fā)下只能產(chǎn)生具有高結(jié)合能的 Frenkel 激子、而非自由電荷。

給體 / 受體界面處有能級(jí)差,這可以為激子解離提供驅(qū)動(dòng)力。因此,足夠的給體 / 受體界面是必不可少的。

一般認(rèn)為,本體異質(zhì)結(jié)(BHJ,Bulk Heterojunction)是有機(jī)太陽能電池活性層的理想結(jié)構(gòu),可同時(shí)實(shí)現(xiàn)有效的激子解離和電荷輸運(yùn),其給體 / 受體相分離尺寸約為 10~20 nm。

因此,大多數(shù)高效有機(jī)太陽能電池的給體和受體含量大致相當(dāng)。通過稀釋給體或受體,會(huì)減少給體 / 受體的界面,從而導(dǎo)致激子解離不充分、電荷輸運(yùn)不平衡、以及電荷復(fù)合增加等后果。

然而,對(duì)于給體 / 受體比例、濃度、溶劑、添加劑、溫度、成膜方式等加工條件,BHJ 活性層薄膜形貌非常敏感。這會(huì)帶來器件加工復(fù)雜和形貌不穩(wěn)定性等問題,限制了器件性能和可重復(fù)性。

據(jù)介紹,北京大學(xué)材料學(xué)院教授占肖衛(wèi)團(tuán)隊(duì)的相關(guān)成果,曾開啟了領(lǐng)域的 " 非富勒烯時(shí)代 "。


圖 | 占肖衛(wèi)(來源:占肖衛(wèi))

而在近期一項(xiàng)研究中,他的課題組和合作者發(fā)展了一種有別于 BHJ 的活性層結(jié)構(gòu),即在大量的受體中摻入極少量給體 ( ≤ 10 wt% ) ,也就是 " 準(zhǔn)同質(zhì)結(jié) ( QHJ,Quasi-Homojunction ) "。

研究發(fā)現(xiàn),基于 PTB7-Th:Y6 的有機(jī)太陽能電池,當(dāng)給體 / 受體的質(zhì)量比為 1:8 或 1:20 時(shí),其效率分別是最優(yōu) BHJ 器件效率的 95% 或 64%。

另外,QHJ 器件的形貌穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性優(yōu)于 BHJ 器件。而基于其他給體或受體的 QHJ 器件效率,會(huì)隨著給體含量減少而呈現(xiàn)顯著下降。

通過超快瞬態(tài)吸收、電流感應(yīng)原子力顯微鏡等器件物理和光物理的分析、以及軟 X 射線等形貌表征,該團(tuán)隊(duì)揭示了高效 QHJ 太陽能電池的工作機(jī)理。

在經(jīng)典 BHJ 有機(jī)太陽能電池中,激子在給體 / 受體界面解離,生成的電子 / 空穴通過受體 / 給體相傳輸,直到被電極收集。

在基于 PTB7:Y6 的 QHJ 器件中,他們觀察到很大一部分自由電荷是在 Y6 相中本征產(chǎn)生的,而不是在給體 / 受體界面。

Y6 還起到了雙極性電荷輸運(yùn)通道的作用,除了傳輸電子,在極少量給體的情況下還可實(shí)現(xiàn)高效的空穴輸運(yùn)。

少量 PTB7-Th 的主要作用是減少電荷復(fù)合,這可能是通過增強(qiáng) Y6 內(nèi)部的四極場來幫助實(shí)現(xiàn)的,而不是它在傳統(tǒng) BHJ 器件中所起的光吸收、激子分離和空穴傳輸?shù)茸饔谩?br />
課題組還提出,高效 QHJ 器件應(yīng)滿足以下基本要求:

其一,主要成分為高效稠環(huán)電子受體材料,其應(yīng)具有:寬而強(qiáng)的可見和近紅外光吸收、高效的雙極性電荷輸運(yùn)、以及光照下能自發(fā)生成載流子等性質(zhì);

其二,次要組分必須是合適的給體材料,其能級(jí)與主組分匹配,以獲得較高的開路電壓;

其三,主組分可以形成大而純的相區(qū),這有利于電荷輸運(yùn),以及減少載流子復(fù)合,在受體相內(nèi)可通過四極場和電荷分離增強(qiáng)能帶彎曲。

可以說,此項(xiàng)工作為有機(jī)太陽能電池提供了一種有別于經(jīng)典 BHJ 結(jié)構(gòu)的新思路。

在這種結(jié)構(gòu)中,可以通過提高本征電荷的產(chǎn)生、以及減少電荷復(fù)合來實(shí)現(xiàn)高效率,而非僅僅依賴于給體 / 受體界面上的激子解離。


圖 | BHJ ( a ) 和 QHJ ( b ) 有機(jī)太陽能電池的基本工作機(jī)理(來源)

近日,相關(guān)論文以《具有不同于體異質(zhì)結(jié)的基本原理的準(zhǔn)同質(zhì)結(jié)有機(jī)非富勒烯光伏器件》(Quasi-Homojunction Organic Nonfullerene Photovoltaics Featuring Fundamentals Distinct from Bulk Heterojunctions)為題發(fā)表在 Advanced Materials 上。


圖 | 相關(guān)論文(來源:Advanced Materials)

青島大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王逸凡副教授是第一作者,新西蘭惠靈頓維多利亞大學(xué)化學(xué)與物理科學(xué)學(xué)院邁克爾 · B · 普萊斯(Michael B. Price)博士、以及占肖衛(wèi)教授擔(dān)任共同通訊作者。

其中一位審稿人認(rèn)為:" 這項(xiàng)工作可能為經(jīng)典 BHJ 結(jié)構(gòu)之外的新型有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)打開一扇門,具有很高的概念新穎性和重要性。"

據(jù)介紹,由于 QHJ 中給體含量極少,受體占主要部分。而稠環(huán)電子受體在可見光區(qū)吸收較少,其主要吸收波段在近紅外區(qū),因而該成果可用于制備半透明太陽能電池及近紅外光電探測器。

研究要從 2019 年說起,當(dāng)時(shí)課題組偶然發(fā)現(xiàn)基于聚合物給體 PTB7-Th 和稠環(huán)電子受體 FOIC 的有機(jī)太陽能電池,在給體含量極少時(shí),器件仍能獲得較高的效率。

這種結(jié)果出乎他們的預(yù)料,且使用已知的有機(jī)太陽能電池理論很難進(jìn)行解釋,他們對(duì)此很感興趣并開始繼續(xù)探討。

下一階段則是系統(tǒng)拓展。研究團(tuán)隊(duì)想知道這種有趣的現(xiàn)象,是否在稠環(huán)電子受體中普遍存在。

因此,他們系統(tǒng)性地研究了不同稠環(huán)電子受體對(duì)基于 PTB7-Th 的 QHJ 器件的影響。

結(jié)果發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)中使用的多種稠環(huán)電子受體,均能產(chǎn)生類似于 FOIC 的結(jié)果。其中,隨著給體含量的降低,Y6 器件效率的下降最為緩慢。

" 我們繼續(xù)問自己,這種現(xiàn)象是稠環(huán)電子受體的本征屬性、還是說也受到給體材料影響?"占肖衛(wèi)說。

接著,他們開始研究不同聚合物給體材料對(duì)于 Y6 器件的影響,隨后發(fā)現(xiàn)基于其他給體的 QHJ 器件,在給體含量減少時(shí),效率下降均比 PTB7-Th 快。

研究團(tuán)隊(duì)也很好奇 PTB7-Th: Y6 組合為何如此特別,于是便進(jìn)入第三階段——機(jī)理探究。

期間,他們與東華大學(xué)先進(jìn)低維材料中心研究員唐正課題組合作,研究了器件的能量損失。

又與新西蘭惠靈頓維多利亞大學(xué)化學(xué)與物理科學(xué)學(xué)院教授賈斯汀 · 霍奇基斯(Justin Hodgkiss)課題組合作,通過超快瞬態(tài)吸收光譜,研究了激子分離。

后又與美國雪城大學(xué)機(jī)械與航空航天工程系教授 Quinn Qiao 課題組合作,通過電流感應(yīng)原子力顯微鏡研究了電荷輸運(yùn)。

接下來,該團(tuán)隊(duì)又與西安交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授馬偉課題組合作,研究了薄膜形貌,進(jìn)一步解釋了電荷輸運(yùn)的機(jī)理。

最終,合作團(tuán)隊(duì)一起揭示了高效 QHJ 器件的工作機(jī)制,并解釋了基于 PTB7:Y6 的 QHJ 器件效率高于基于 PM6:Y6 的 QHJ 器件的原因。

占肖衛(wèi)表示,研究中最難忘的是發(fā)現(xiàn)異?,F(xiàn)象的過程。他說:" 最初,我們在另外一項(xiàng)研究中,將 PTB7-Th:FOIC 比例從 1:1 調(diào)節(jié)到 1:4,但是器件效率并沒有降低。因而突發(fā)奇想能不能再降低給體含量試試,于是就降到 1:20,結(jié)果就發(fā)現(xiàn)了令人驚訝的現(xiàn)象。"

可以說,本項(xiàng)研究純屬意外發(fā)現(xiàn)。由此,占肖衛(wèi)感慨科學(xué)研究不僅要勤于思考、還要善于觀察。有時(shí),研究一些異常現(xiàn)象或可打開新的思路。

下一步,他們計(jì)劃篩選聚合物給體和稠環(huán)電子受體組合,進(jìn)一步提高 QHJ 器件的效率。另外,打算把 QHJ 用于半透明有機(jī)太陽能電池以及近紅外光電探測器。

參考資料:

1.Wang, Y., Price, M. B., Bobba, R. S., Lu, H., Xue, J., Wang, Y., ... & Zhan, X. ( 2022 ) . Quasi ‐ Homojunction Organic Nonfullerene Photovoltaics Featuring Fundamentals Distinct from Bulk Heterojunctions. Advanced Materials, 2206717.

原標(biāo)題:有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)打開一扇門,北大團(tuán)隊(duì)研發(fā)新型非富勒烯光伏
 
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