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新紀錄:16.27%!三元聚合物太陽能電池

已有 861 次閱讀 2019-4-29 16:13 |個人分類:《科學通報》|系統分類:論文交流

2013年以來,北京交通大學張?〗淌谡n題組致力于三元有機光伏材料與器件物理的研究,通過甄選材料、優化制備工藝、開發新型表征手段,逐步澄清了三元器件材料甄選原則及器件工作機理。陸續報道了“兩步法”、“倒置法”器件制備工藝,并提出了研究三元體系內激子、載流子動力學過程的新方法。材料的兼容性是影響有源層相分離程度、分子間相互作用、器件性能及工作機理的關鍵因素。6年來,該課題組針對三元體系開展了系列的研究,嘗試了聚合物/小分子、聚合物/聚合物、小分子/小分子、雙給體、雙受體等三元體系,其工作機理仍在進一步研究中。例如有關合金模型,初步認為可能是材料間激發態能級簡并引起的一種宏觀現象,其微觀本質沒有改變。

最近,張?〗淌趫F隊基于二元器件光伏參數的互補性甄選三元有源層材料,成功制備出效率為16.27%三元器件。此工作已在Science Bulletin上以Short Communication形式報道(2019年第8期封面文章)。


PM6:Y6PM6:IT-4F兩種二元器件展現出了互補的短路電流(25.08 mA cm–2 vs. 19.75 mA cm–2),開路電壓(0.836 V vs. 0.860 V)和填充因子(73.2% vs. 75.1%)。通過調節第三組分IT-4F在受體中的比例,能夠優化PM6:Y6:T-4F三元器件中的這3個光伏參數。當IT-4F在受體中的比例為20 wt%時,三元器件的短路電流為25.40 mA cm–2,開路電壓為0.844 V,填充因子為75.9%,最優效率達到16.27%。與PM6:Y6體系二元器件15.35%的效率相比,三元器件的效率提升了約5.9%。不同于先前的報道,該工作中所制備的器件未使用溶劑添加劑,而是采用該課題組提出的倒置溶劑熏蒸方法處理有源層。

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圖1. 二元和三元聚合物太陽能電池的(a)J-V曲線和(b)EQE光譜

1  二元和三元聚合物太陽能電池的主要光伏參數

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制備工藝簡單、重復性高是有機光伏產業化的必然要求,無溶劑添加劑的三元器件展現出了較大的潛能。第三組分的作用除了拓展有源層光子俘獲外,還可以通過調控有源層的消光系數優化光生激子的體分布,進而提高器件的填充因子。該工作進一步證明三元器件有潛力成為有機光伏器件產業化的首選方案。

該項目由中央高;究蒲袠I務費(2018JBM061),國家自然科學基金 (61805009,61675017),北京市自然科學基金(4192049)資助。


更多詳情請閱原文:

Qiaoshi An, Xiaoling Ma, Jinhua Gao, Fujun Zhang. Solvent additive-free ternary polymer solar cells with 16.27% efficiency. Science Bulletin, 2019, doi: 10.1016/j.scib.2019.03.024

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927319301768


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2 鄭強 楊正瓴

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