有机太阳能电池新突破:新型超支化高聚物作为阴极修饰层用于提高电池性能

在目前的世界能源结构中,石油、煤炭、天然气等化石能源大约占到人类能源消费总量的80%,然而根据据英国BP石油公司发布的全球能源统计预测,按照目前化石能源的探明储量和消耗量预测,石油将在约40年以后消耗殆尽,而天然气和煤炭也分别只能继续使用60年和150年。作为解决能源危机的一个可行方法,太阳能电池的研发已成为各国经济可持续发展的重要能源战略之一。

相比于目前已经商业化但仍然较昂贵的硅基太阳能电池,有机光伏电池因其具有制造成本低、材料质量轻、机械性能上具有柔性、便于加工等优点而倍受关注。但有机聚合物光伏电池与无机半导体光伏电池相比,仍存在能量转换效率(Power Conversion Efficiency, PCE)较低等问题。值得关注的是,近期有报道表明有机光伏电池的能量转换效率可进一步提高到9.2%,该研究通过在氧化铟锡表面引入水(醇)溶性共轭聚合物,利用该共轭聚合物在界面形成和器件的内建电场方向一致的电偶极矩或电介质层,有效阻挡载流子反向传输实现开路电压(Voc)及填充因子(FF)的同时提高,提示共轭高聚物作为光伏阴极修饰层可用于提高有机光伏电池的能量转换效率。

有趣的是,在该领域近期的研究中,来自中科院成都有机所、澳大利亚联邦科学与工业研究组织以及中科院化学所的研究人员联合研究发现一种新型的超支化共轭高聚物HBPFN可作为光伏电池阴极修饰层材料,并使其单电池光电转换效率由4.8%显著型地提升至7.7%。该新型支化高分子有机物所形成的电介质层能有效阻止载流子反向扩散,并能够减小表面缺陷,降低电子-空穴在界面处的大量复合,从而显著地提升了电池的开路电压Voc、短路电流密度Jsc和填充因子FF值等关键性能参数。在使用了该新型超支化高分子共轭聚合物作为阴极修饰层后,光伏电池的能量转换效率(PCE)由未加修饰层前的4.8%提升至7.55%,并比使用线性PFN作为修饰层的情况高出约10%。

该研究成果证实了利用阴极修饰提高有机光伏电池能量转换效率的新途径,并为高效、低价、易加工的太阳能电池开发提供了一种新思路。

喻 旭东 About 喻 旭东

喻旭东:厦门大学,药学院,药理学专业。