Nature 子刊,稳了,非富勒烯太阳能电池的光电转

 新闻资讯     |      2020-03-26 12:57

Nature 子刊,稳了,非富勒烯太阳能电池的光电转换效率高达15.1%

【文章导读】


近日,武汉大学闵杰教授团队报道以PM6:BTTT -2Cl:PZ1为光吸收活性层,引入半结晶共轭聚合物受体PZ1为掺杂剂,表现出15.1%的光电转换效率的非富勒烯太阳能电池。


器件的稳定性数据、界面特性以及物理机理在数据分析中显示这种类三元的掺杂聚合物电池表现出了更高的器件效率、更优秀的热稳定性(t = 800 h ,150℃),以及更长久的电池寿命,这种掺杂手段在四种体系中都证实了其可行性,在外空间中的应用也有着较为光明的前景 。


【难点与亮点】


难点:目前非富勒烯小分子(NF)体系的溶液处理有机太阳能电池显示出了良好的发展前景,但由于其在商业化生产中相对较低的环境真人麻将稳定性(热、氧气、光和湿度)制约器件成熟发展。体异质结纳米尺寸通常对器件效率起决定性因素,然而对于超过120℃的长时间退火敏感,由热激活亚稳态转向热力学平衡状态,从而导致较大尺寸的相分离,D-A(给受体)的相面显著减小导致效率降低。(亚稳态向热力学稳态发展,属于成核结晶的过程)


通常对于改善其热稳定性,有几种行之有效的方法:(1)适当降低聚合物或小分子的结晶度.即在合成过程中,适量的引入支链官能团。(2).寻找合适的给受体,有些给受体本身不稳定不宜用来长期工作,最好是Π-Π共轭。(3).在活性层中引入“分子锁”,其中将活性层溶液与添加剂共混,是简单而广泛应用的一种方法,通常的添加剂是卤化物,以烷较多,添加剂的引入会在活性层表面高温过程中紧紧的束缚住给体与受体形成的改善活性层表面形貌同时提升光电性能与环境稳定性。


而本文的研究者则引入半结晶共轭聚合物PZ1,作为双重作用添加剂:(1).与给受体有机物相同,聚合物受体的引入构成了类三元有机太阳能电池的作用,有着补足吸收光谱700-800nm,增大电流的作用;(2).抑制给受体在退火时交织互穿网状结构的分散,维持热激活亚稳态。


【文章详情】


图1.a) 活性层中使用的小分子受体BTTT-2Cl,聚合物给体PM6,作为受体添加剂的PZ1的分子结构。b)纯薄膜以及未添加PZ1与添加PZ1的共混物的归一化UV-vis吸收图谱,PZ1比起给受体的吸收范围更宽,提供了700-800nm的吸收峰。c)给受体的能级图中看出较为匹配,能够很好的传输电子与空穴。d)上端:未掺杂与掺杂了1 wt%的活性层表面AFM扫描图(5*5μm^2,未掺杂0.813nmRMS粗糙度,掺杂后0.628nmRMS粗糙度),粗糙的明显下降也从形貌动力学上表明了PZ1的成功掺入;下端:在0.13°临界入射角下获得的薄膜2D-Giwaxs图,结晶度有了明显的改善。


图2.a)未掺杂PZ1(w/o)与掺杂后(w)的最优制备的器件的光照J-V曲线。b)未掺杂PZ1与掺杂后的EQE(外量子转化效率)频谱与积分电流密度。c)未掺杂PZ1与掺杂后的纯空穴和电子迁移率。d)分别在110℃与 150℃下,未掺杂PZ1与掺杂后的热稳定性测试函数图像,该图像显示,在掺杂入PZ1后的器件在800小时的高温下依旧拥有80-90%的效率而未掺杂的器件在不到200小时后便下降到30-40%,此时的器件已经初步显现出全聚合物有机太阳牛牛手机版下载能电池的热稳定性优势。 e)在150℃下,不同浓度的PZ1掺杂对器件热稳性测试函数图像,可以由光电器件的测试图像比较得出掺入的量大约在1%时效果最佳。


【创新点】


这里研究者应用热循环稳定性测试,模拟现实环境以及外空间环境下不同温度的循环 图4.a)月球环境模拟热应力下 b)低地球轨道卫星环境模拟热应力下 c)火星环境环境模拟热应力下 d)Eg-eVoc=0.5eV的非富勒烯太阳能电池的理论效率与混合膜的最低Eg值的关系,表明出了在空间站上使用的可能性。


图5.a)四组光伏体系的给受体分子结构式:PM6:Y6;PTB7-Th:PC70BM;J71:ITIC;BDT-3T-R:PC70BMb)四组对照体系在150℃退火条件下掺杂(未掺杂)的对比柱状图。


【全文总结】


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在这个工作中,研究人员设计合成了新型小分子受体BTTT-2Cl,与聚合物PM6给体制作光电池,PCE值为13.80%。引入聚合物受体PZ1作为双功能固体添加剂,使得器件效率提高到15.10%,同时极大的提高了高温下的热稳定性。PZ1的掺杂能够显著抑制相分离,固定共混物的交互结构;同时在热循环应力的模拟下也表现出了良好的耐久性,在外空间有很大的发展前景。


【团队介绍】


闵杰: 研究员,博士生导师;主要从事有机太阳能电池,钙钛矿太阳能电池,光探测等方向研究工作。已在Advanced Materials,Advanced Functional Materials,Advanced Energy Materials等杂志上发表多篇学术论文;课题组网站:http://gdyjy.whu.edu.cn/info/1046/1027.htm


【参考文献】


Yang,W., Luo, Z., Sun, R. et al. Simultaneous enhanced efficiency andthermal stability in organic solar cells from a polymer acceptoradditive. Nat Commun 11, 1218 (2020).


文章链接

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https://www.nature.com/articles/s41467-020-14926-5#citeas