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创纪录!有机光伏转化效率达到18.86%

有机光伏电池凭借其质量轻,吸收光谱和机械性可调等优良特性,成为能源界的潜力宠儿。随着科研人员的不懈努力,有机光伏电池经历了不断的更新换代,其能源转换效率已经达到了18%。然而,相比于它的无机“同行”(硅基、钙钛矿和砷化镓)们,巨大的能量损耗是有机光伏电池研究亟待解决的问题,如果在这个方面有所突破,其转换效率必将打破瓶颈,再创新高。

有机光伏电池中的能量损耗主要来自于辐射性和非辐射性的电荷复合过程,其中抑制非辐射性电荷复合过程方面仍然有可以提升的空间。现在主流的策略有两种:合成新型材料或者优化活性表面。中科院化学所的侯剑辉教授团队联合山东大学郝晓涛教授团队通过在两层光敏层中间引入第三层的全新策略,有效的减少了非辐射性电荷复合带来的能量损耗,从而提高了有机光伏电池的性能。研究表明,加入的HDO-4Cl成分,会与受体层eC9形成类合金受体相,通过超快光谱以及光电测试等表征手段,发现HDO-4Cl显著地增加了激子的扩散长度,从而抑制了非辐射性复合。其18.86%的转换效率,不仅比双层有机光伏电池的高,还是现有已被报道的有机光伏电池中的最高值。该研究以题为“Reduced non-radiative charge recombination enables organic photovoltaic cell approaching 19% efficiency”的论文发表在最新一期《焦耳》上。

[成分介绍]

该研究的有机光伏电池由三层结构组成,分别为PBDB-TF、HDO-4Cl和eC9。

[类合金相的形成及表征]

因为第三层光敏层的分布对于三元有机光伏电池的性能起着至关重要的作用,接触角测量用来评估PBDB-TF、HDO-4Cl和eC9之间的可溶性。通过计算可知HDO-4Cl与eC9之间的界面张力为0.18mN/m左右,该值明显小于PBDB-TF/HDO-4Cl的0.74mN/m以及PBDB-TF/eC9的1.52mN/m,意味着HDO-4Cl与eC9更倾向于形成类合金相。研究者进一步测量了二元电池eC9和三元电池HDO-4Cl:eC9中受体的光致发光量子产率(PLQY),产率分别为2.3%和4.2%,更高的产率说明在HDO-4Cl:eC9中形成了共平面共轭系,也证实了类合金相的形成。

通过计算外量子效率(EQE),可以得知,在对比PBDB-TF:eC9、PBDB-TF:HDO-4Cl:eC9和PBDB-TF:HDO-4Cl时,三元光伏电池的非辐射性复合能量损失为最低的0.19eV,证实了新策略可以有效的抑制非辐射性电荷复合过程。

[激子扩散长度与电池性能的探究]

在进行了原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜(TEM)以及广角X射线衍射(GIWAXS)等表征后,发现新的三元有机光伏电池的分离相表面形态和晶体形态与其二元光伏电池相似,从而证明了提高的转换效率不是受表面形态的影响。

通过瞬态吸收光谱测量以及应用激子湮没的机理,可以在公式LD = (Dτ)1/2的帮助下计算激子的扩散长度(LD),计算表明eC9与HDO-4Cl:eC9的扩散长度分别为12.2nm和16.3nm,证明了形成的类合金相可以提高扩散长度,从而有效的限制非辐射性电荷复合过程。

[总结]

作者采用在原有的二元有机光伏电池的基础上添加了第三层光敏层,使得激子在结构中的扩散长度显著增加,从而减少了非辐射性电荷复合过程带来的能量损耗。这种方法不但提高了电池的能量转换效率,而且为研究激子行为,优化电池性能方面开创了新的思路。

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