效率达10%的无添加剂有机太阳能电池

太阳能作为取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源,在传统石化能源(媒、石油、天然气)日益枯竭的今天受到了很大的重视。太阳能电池作为一种可以直接将太阳能转换为电能的器件装置,已广泛应用于航天国防,通信,交通,建筑,家电等邻域。目前占市场95%以上份额主导的无机太阳能电池(如硅基电池)发展已经相对成熟,并且世界各国政府对太阳能公司都给予了很大的支持和优惠政策。然而无机电池材料本身的加工工艺复杂,成本很高,这就限制了其大规模使用。科学家们正积极研究发展低成本的高效新型太阳能电池。

近年来有机半导体材料,由于其加工工艺简单,成本低,易于大面积制备和与柔性基底兼容等优点,给光电子学的发展带来了革命性的改变。有机薄膜晶体管(OTFT)、有机发光二极管(OLED)、有机太阳能电池(OSC)、有机存储和有机光电探测器等器件应运而生,并受到了广泛的关注和发展。其中,有机太阳能电池由阳极和阴极中间夹有机光活性层(吸收并转换太阳光)组成。活性层的制备通常为给体和受体两种材料混合在溶剂中,通过旋涂,喷墨打印等方法成膜。膜中的给体和受体相分布情况对电池的转换效率至关重要,科学家们已通过溶剂选择,热退火,溶剂退火等方法调节给/受体的相分布来使电池的效率最优化。近年来研究发现,制备活性层的过程中向主溶剂中加入少量的高沸点添加剂溶剂(如1.8-二碘辛烷)能非常有效地改善给/受体的相分布,大幅度提高电池效率。然而,添加剂的量对电池效率影响较大,实验过程中不易控制,实验重复性差;且优化得到最合适添加剂量是一道繁琐的工序;更严重的是,添加剂会加快电池的光衰减(添加剂沸点高,不容易挥发,会残留在电池中引起电池的光稳定性)。而目前绝大多数有机材料制备电池时需要添加剂才能获得高效率。

AENM-wangjizheng

近期,中国科学院化学研究所王吉政研究团队和国家纳米科学中心丁黎明研究团队成功制备了无添加剂的高效有机太阳能电池。他们设计合成了一种新型给体材料PThBDTP,PThBDTP和富勒烯受体材料PC71BM共混合制备成活性层,成膜时只需要简单的旋涂操作,不需要任何添加剂,也不需要热退火等后续处理工艺,所制备的电池的效率达到10%以上。通过X射线衍射(XRD),光致发光光谱(PL),原子力显微镜(AFM),透射电子显微镜(TEM)和接触角等表征,发现成膜后的PThBDTP和PC71BM具有天然的优质相分布,因此不需要添加剂来达到高效率。

该工作为人们发展无添加剂高效稳定的有机太阳能电池提供了新的思路。相关工作发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201602663)上。

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