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創(chuàng)紀(jì)錄!有機(jī)光伏轉(zhuǎn)化效率達(dá)到18.86%
日期:2021-07-30   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:simaran_sxj 打印收藏評(píng)論(0)[訂閱到郵箱]
有機(jī)光伏電池憑借其質(zhì)量輕,吸收光譜和機(jī)械性可調(diào)等優(yōu)良特性,成為能源界的潛力寵兒。隨著科研人員的不懈努力,有機(jī)光伏電池經(jīng)歷了不斷的更新?lián)Q代,其能源轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到了18%。然而,相比于它的無(wú)機(jī)“同行”(硅基、鈣鈦礦和砷化鎵)們,巨大的能量損耗是有機(jī)光伏電池研究亟待解決的問(wèn)題,如果在這個(gè)方面有所突破,其轉(zhuǎn)換效率必將打破瓶頸,再創(chuàng)新高。

有機(jī)光伏電池中的能量損耗主要來(lái)自于輻射性和非輻射性的電荷復(fù)合過(guò)程,其中抑制非輻射性電荷復(fù)合過(guò)程方面仍然有可以提升的空間?,F(xiàn)在主流的策略有兩種:合成新型材料或者優(yōu)化活性表面。中科院化學(xué)所的侯劍輝教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合山東大學(xué)郝曉濤教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)在兩層光敏層中間引入第三層的全新策略,有效的減少了非輻射性電荷復(fù)合帶來(lái)的能量損耗,從而提高了有機(jī)光伏電池的性能。研究表明,加入的HDO-4Cl成分,會(huì)與受體層eC9形成類合金受體相,通過(guò)超快光譜以及光電測(cè)試等表征手段,發(fā)現(xiàn)HDO-4Cl顯著地增加了激子的擴(kuò)散長(zhǎng)度,從而抑制了非輻射性復(fù)合。其18.86%的轉(zhuǎn)換效率,不僅比雙層有機(jī)光伏電池的高,還是現(xiàn)有已被報(bào)道的有機(jī)光伏電池中的最高值。該研究以題為“Reduced non-radiative charge recombination enables organic photovoltaic cell approaching 19% efficiency”的論文發(fā)表在最新一期《焦耳》上。

【成分介紹】

該研究的有機(jī)光伏電池由三層結(jié)構(gòu)組成,分別為PBDB-TF、HDO-4Cl和eC9。



圖1. PBDB-TF、HDO-4Cl和eC9的結(jié)構(gòu)圖

【類合金相的形成及表征】

因?yàn)榈谌龑庸饷魧拥姆植紝?duì)于三元有機(jī)光伏電池的性能起著至關(guān)重要的作用,接觸角測(cè)量用來(lái)評(píng)估PBDB-TF、HDO-4Cl和eC9之間的可溶性。通過(guò)計(jì)算可知HDO-4Cl與eC9之間的界面張力為0.18mN/m左右,該值明顯小于PBDB-TF/HDO-4Cl的0.74mN/m以及PBDB-TF/eC9的1.52mN/m,意味著HDO-4Cl與eC9更傾向于形成類合金相。研究者進(jìn)一步測(cè)量了二元電池eC9和三元電池HDO-4Cl:eC9中受體的光致發(fā)光量子產(chǎn)率(PLQY),產(chǎn)率分別為2.3%和4.2%,更高的產(chǎn)率說(shuō)明在HDO-4Cl:eC9中形成了共平面共軛系,也證實(shí)了類合金相的形成。



圖2. PBDB-TF、HDO-4Cl和eC9分別在水和甘油下的接觸角示意圖

通過(guò)計(jì)算外量子效率(EQE),可以得知,在對(duì)比PBDB-TF:eC9、PBDB-TF:HDO-4Cl:eC9和PBDB-TF:HDO-4Cl時(shí),三元光伏電池的非輻射性復(fù)合能量損失為最低的0.19eV,證實(shí)了新策略可以有效的抑制非輻射性電荷復(fù)合過(guò)程。

【激子擴(kuò)散長(zhǎng)度與電池性能的探究】

在進(jìn)行了原子力顯微鏡(AFM)、透射電子顯微鏡(TEM)以及廣角X射線衍射(GIWAXS)等表征后,發(fā)現(xiàn)新的三元有機(jī)光伏電池的分離相表面形態(tài)和晶體形態(tài)與其二元光伏電池相似,從而證明了提高的轉(zhuǎn)換效率不是受表面形態(tài)的影響。



圖3. 二元電池/三元電池的AFM、TEM、GIWAXS、IP和OOP示意圖

通過(guò)瞬態(tài)吸收光譜測(cè)量以及應(yīng)用激子湮沒(méi)的機(jī)理,可以在公式LD = (Dτ)1/2的幫助下計(jì)算激子的擴(kuò)散長(zhǎng)度(LD),計(jì)算表明eC9與HDO-4Cl:eC9的擴(kuò)散長(zhǎng)度分別為12.2nm和16.3nm,證明了形成的類合金相可以提高擴(kuò)散長(zhǎng)度,從而有效的限制非輻射性電荷復(fù)合過(guò)程。

【總結(jié)】

作者采用在原有的二元有機(jī)光伏電池的基礎(chǔ)上添加了第三層光敏層,使得激子在結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散長(zhǎng)度顯著增加,從而減少了非輻射性電荷復(fù)合過(guò)程帶來(lái)的能量損耗。這種方法不但提高了電池的能量轉(zhuǎn)換效率,而且為研究激子行為,優(yōu)化電池性能方面開(kāi)創(chuàng)了新的思路。 

原標(biāo)題:創(chuàng)紀(jì)錄!有機(jī)光伏轉(zhuǎn)化效率達(dá)到18.86%
 
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