倒置有机太阳能电池的研究进展

倒置有机太阳能电池的电流-电压曲线

近些年来由于环境和能源问题日益严重,新能源的开发和利用越来越受到人们的广泛关注。在各种新能源技术中,光伏发电被认为最有应用前景的方向之一。其中,有机太阳能电池可以通过溶液方法制成大面积薄膜器件,具有成本低、重量轻、可折叠、半透明等优点。最近有机太阳能电池的研究不断取得新突破,其转换效率已经可以与传统的硅基太阳能电池的转换效率相比较。如何在保持有机太阳能电池高转化效率的同时,提高器件的稳定性和使用寿命已经成为该类电池的推向市场之前最需要解决的问题之一。中国科学院福建物质结构研究所郑庆东研究员课题组针对这一问题,与中国科学院大连化学物理研究所张坚研究员合作,开发了一类新型阴极界面缓冲层材料,研究发现将该界面缓冲层的引入到倒置有机太阳能电池中,可以显著提高电池的转换效率和稳定性。相关结果发表在Advanced Energy Materials上。

目前,倒置有机太阳能电池通常采用氧化锌(ZnO)作为活性层和电极之间的界面缓冲层材料来提高电池的稳定性和转换效率。ZnO薄膜的能级相对固定,无法与具有不同能级的活性层材料匹配。然而通过引入能级可调的三元锌镁氧化合物(ZMO)薄膜可以解决能级匹配问题的同时,进一步提高有机太阳能电池的性能。利用溶液法获得的ZMO阴极界面缓冲层,具有功函数、界面性能、吸收等性能可调控的优势,在器件中能够显著增强电子传输与空穴阻挡能力、提高电池的短路电流、开路电压和填充因子,利用PTB7:PC71BM作为活性层,最终获得8.31%的高效率和高稳定的有机太阳能电池。该研究证实了带隙可调的ZMO透明薄膜是一类可用于有机光伏器件的新型界面材料,率先将基于多元氧化物界面层的有机太阳能电池效率突破8%。该研究为新一代能隙可调多组分半导体薄膜设计和光伏器件应用提供了重要思路。

相关工作得到了国家基金委杰出青年基金项目和面上项目、中国科学院“百人计划”项目的资助。