高效三元共混体系有机太阳能电池

随着石油、煤炭等化石能源的日益枯竭,能源危机和能源污染步步逼近,获取新型能源已经变得十分迫切。太阳能是一种取之不尽用之不竭的永久性能源,其分布广阔,获取方便,安全、清洁,而且不会带来环境污染。对太阳能的开发利用越来越引起科研人员的重视。近年来,有机太阳能电池因其重量轻、成本低以及可制成柔性器件等优点,成为了太阳能电池领域的研究热点。

由于特殊的薄膜器件结构以及有机半导体的特性,有机太阳能电池的光吸收效率普遍较低,这严重制约了其性能的提高。为了进一步提高电池的光电转换效率,从材料化学的角度,需要合成吸收范围较宽、带隙较窄的有机半导体材料以充分吸收太阳光;同时从器件的角度,材料还应具有较低的最高占有分子轨道(HOMO)能级,以便得到较高的开路电压。这一要求限制了单结有机太阳能电池的发展。三元共混体系有机太阳能电池是一种新型的光伏器件,它由两种给体材料和一种受体材料(或一种给体材料和两种受体材料)共混而成,利用两种不同带隙的材料可以大幅度提高对太阳能光的利用率。传统三元共混器件都是基于聚3-己基噻吩(P3HT)或者聚咔唑衍生物(PCDTBT)等经典的宽带隙材料,这两类材料较低的光电流限制了电池效率的进一步提高。

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最近,北京航空航天大学孙艳明教授课题组利用制备的高效率宽带隙聚合物给体材料PDBT-T1和另一种高效率给体材料PTB7-Th构筑了三元体系有机太阳能电池。基于PDBT-T1和PTB7-Th的二元体系太阳能电池光电转换效率都分别达到了9%的效率。通过调节PDBT-T1在三相体系中的比例,可以调控活性层的吸收光谱、迁移率、微观形貌和结晶行为,最后得到了效率高达10.2%的三元共混体系太阳能电池,此项研究表明,对于性能优异的聚合物给体材料,通过恰当的材料筛选和匹配,通过构筑三元体系器件结构可以进一步提高电池的光电转换效率,这为制备高性能有机太阳能电池提供了新思路。相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201502109)上。