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17.9%!最高效率之一的三元有机光伏器件 | NSR

已有 916 次阅读 2021-1-18 15:49 |个人分类:国家科学评论|系统分类:论文交流

近期,北京交通大学张福俊课题组以高效非富勒烯材料Y6及其衍生物Y6-1O为受体,宽带隙聚合物材料D18-Cl为给体,制备出效率为17.9%的三元有机光伏器件。相关成果发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR)。


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有机光伏器件具有成本低、质量轻、柔性、可大面积制备等优点。近年来,得益于各种非富勒烯材料的出现,有机光伏器件已到达商业化的“黎明前夕”。

除材料创新外,器件工程在太阳能电池性能提升方面也发挥了关键作用。利用三元策略,能够将兼容性较好的两种非富勒烯材料的优势集成到同一器件中,简单有效地提升器件性能。研究表明,引入合适的第三组分可以拓展有源层的光子俘获范围,还能优化有源层中光生激子的分布以平衡两种载流子的传输,精细调控相分离程度以提高激子解离效率。三元策略有望成为有机光伏器件产业化的首选方案。自2013年以来,张福俊教授课题组一直致力于三元有机光伏材料与器件物理的研究,获得了一系列理论和实验成果。 

在这项工作中,张福俊课题组以兼容性较好的高效非富勒烯材料Y6及其衍生物Y6-1O为受体,宽带隙聚合物材料D18-Cl为给体,制备出效率为17.9%的三元有机光伏器件。该值是有机光伏器件最高效率之一。

D18-Cl:Y6和D18-Cl:Y6-1O两种二元器件展现出互补的短路电流密度(25.53 mA cm2 vs.22.72 mA cm2)、填充因子(75.88% vs.73.14%)和开路电压(0.881 V vs. 0.929 V)。研究显示,当第三组分Y6-1O在受体中的含量达到30 wt%时,器件性能达到最优。与主体系相比,三元器件的短路电流密度、填充因子和开路电压分别提升至25.87 mA cm2,76.92%和0.900 V。除增强光子俘获外,适量引入Y6-1O还可同时优化有源层的相分离程度及分子排布,使激子解离和载流子传输更为有效,提升器件性能。

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(a)相应二元和三元有机光伏器件的电流-电压曲线;(b)最优二元及三元器件的磁控光电流曲线。 


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(a)二元及三元混合薄膜的2D-GIWAXS图像;(b)混合薄膜面内和面外方向GIWAXS剖面图;(c)混合薄膜的TEM图。


除获得17.9%的高效率三元有机光伏器件外,该工作还首次将磁控光电流的方法引入三元体系,证明三元器件内电荷分离更加有效,为分析三元器件性能提升的机制提供了更为坚实的证据。该工作得到了国家自然科学基金和博士后创新人才支持计划等资助。



文章信息:[点击下方链接可阅读原文]

Approaching 18% efficiency of ternary organic photovoltaics with wide bandgap polymer donor and well compatible Y6:Y6-1O as acceptor

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa305

 

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