Small Structures:18.14%效率的三元合金相有机太阳能电池

有机太阳能电池因具有质轻、超薄、易于大面积制备等优点,在便携式器件、光伏建筑等领域具有广阔的应用前景。研究表明,通过构建三元器件,可以有效地提高有机太阳能电池的效率。但在构建三元器件的时候,往往需要去考虑第三组元与给受体材料之间的相容性,这也给第三组分材料的筛选带来了困难。

近日,中国科学院宁波材料技术与工程研究所葛子义研究员团队与太原科技大学刘翠荣教授团队针对以上问题设计方案,在PM6:Y6二元体系的基础上,选取了和Y6受体具有相似分子结构的Y6-1O作为第三组分,在高效率有机太阳能电池领域取得了新进展。

许多研究工作表明,分子结构相似的给体或者受体材料之间具有良好的兼容性,与此同时,当添加的第三组分和主体材料之间有较高相容性的时候,第三组分和主体材料易形成合金相,作为单一的给体或者受体工作。基于这一点,研究团队在PM6:Y6二元体系的基础上,选取了与Y6具有相似结构和相似能级的Y6-1O作为第三组分。结果表明,Y6-1O的加入有效地拓宽了二元吸收光谱,增加器件的短路电流密度。同时,由于两个受体化学结构和能级相似,第三组分受体Y6-1O完全嵌入到主受体Y6中,形成了合金相,使得他们之间的能量转移效应明显增强。TEM和AFM结果表明,相似结构的Y6-1O的加入能够有效调整活性层的形貌,进一步形成纳米尺度的互穿网络结构,提高给受体的想纯度和相分离尺度。最终,基于PM6:Y6:Y6-1O的三元器件,得到了18.14%的光电转换效率。

该工作总结了第三组分的选取原则,为构建高效率的三元有机太阳能电池器件提供了可借鉴的策略。

该研究得到了国家杰出青年科学基金(21925506)、国家重点研发计划(2017YFE0106000)等项目的支持。

作者简介:

通讯作者——葛子义:中科院宁波材料所二级研究员、博导,国家杰出青年科学基金获得者、英国皇家化学会会士。1999年本科毕业于兰州大学化学系,2004年博士毕业于中科院化学所,2005年至2009年分别在日本东京工业大学、神奈川大学和澳大利亚新南维尔士大学从事有机光电研究。2009年受聘于华东理工大学教授。2010年加入中科院宁波材料所,主要从事有机/钙钛矿太阳能电池和OLED研究。

近年来在Nature PhotonicsChem. Soc. Rev.JolueAdv. Mater.Angew. Chem.等期刊上发表SCI论文170余篇,申请发明专利40多项。撰写Springer出版社等中英文专著4部。先后主持包括国家重点研发计划-政府间重点专项、7项国家自然基金等多项科研项目,获得2016年“中国光学重要成果奖”、2018年度浙江省自然科学二等奖(排名第一)。先后担任Science China ChemistryInfoMatThe InnovationES Energy & Environments、《材料工程》、《中国激光》和《储能科学与技术》等期刊编委,兼任浙江省青年高层次人才协会常务理事、有机光电材料与器件国际会议(ICOOE)大会主席。40多次受邀做国内外著名学术会议邀请报告。

通讯作者——刘翠荣:太原科技大学党委常委、副校长,博士,教授,博导,山西省机械工程教学指导委员会主任,山西省机械工程学会副理事长。太原工业大学本科毕业,北京航空航天大学硕士毕业,太原理工大学博士毕业;美国University of California、澳大利亚University of Wollonggong访问学者。主要从事复合材料、MEMS器件异种材料连接技术研究,主持国家自然基金及省部项目10余项,获发明专利5项,发表SCI、EI论文20余篇,主编教材3部。获山西省自然科学技术三等奖1项,山西教学成果特等奖1项。

论文信息:

Achieving 18.14% Efficiency of Ternary Organic Solar Cells with Alloyed Nonfullerene Acceptors

Kuibao Yu, Wei Song, Yafeng Li, Zhenyu Chen, Jinfeng Ge, Daobin Yang, Jianqi Zhang, Lin Xie, Cuirong Liu*, Ziyi Ge*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100099

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100099