北理工在有機(jī)太陽(yáng)能電池構(gòu)筑及性能優(yōu)化方面取得進(jìn)展
發(fā)布日期：2021-07-18 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 攝影：化學(xué)與化工學(xué)院
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近日，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院碩士研究生蔣夢(mèng)云以第一作者身份在國(guó)際頂級(jí)期刊Energy Environmental & Science (IF: 38.5)發(fā)表題目為“Rational compatibility in a ternary matrix enables all-small-molecule organic solar cells with over 16% efficiency”的研究論文，此論文被選為該雜志2021年第7期的Front Cover。北京理工大學(xué)為第一通訊單位，北京理工大學(xué)安橋石特別研究員、王金亮教授和北京交通大學(xué)張福俊教授為共同通訊作者，本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金，北京市自然科學(xué)基金和北京理工大學(xué)青年教師學(xué)術(shù)啟動(dòng)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助及北京理工大學(xué)分析測(cè)試中心的支持。
《Energy Environmental & Science》2021年第7期雜志封面及器件優(yōu)化原理
環(huán)境污染和能源危機(jī)是當(dāng)今世界面臨的兩大難題，開(kāi)發(fā)和利用高效率清潔能源是國(guó)家能源戰(zhàn)略中亟需解決的重大科學(xué)問(wèn)題，也是我國(guó)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。有機(jī)太陽(yáng)能電池（organic solar cells，OSCs）是一種有潛力的綠色光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，其具有原材料豐富、質(zhì)量輕、柔性、半透明、多彩、可大面積制備等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)今新能源領(lǐng)域最富活力和生機(jī)的研究前沿之一。OSCs的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)為其商業(yè)化應(yīng)用提供了廣闊的空間，有助于實(shí)現(xiàn)與其它類(lèi)型太陽(yáng)能電池形成互補(bǔ)，以及填補(bǔ)光伏市場(chǎng)在柔性和半透明器件方面的缺位。由于小分子材料具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、明確，易合成，易提純，批次穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)，全小分子OSCs有潛力成為最適合產(chǎn)業(yè)化的光伏器件。為制備出高效率的全小分子器件，研究者選擇了具有合理兼容性的三種小分子材料B1，BO-4Cl和Y7作為器件的有源層。受體分子Y7與BO-4Cl兼容性最好，而給體B1與受體Y7的兼容性最差。在混合薄膜中兩種受體分子傾向于形成類(lèi)合金態(tài)，通過(guò)調(diào)控兩種受體材料的比例，能夠有效改善有源層的分子排布，結(jié)晶程度及大小，從而促進(jìn)電荷的傳輸與收集。而B(niǎo)1與 Y7分子間較大的相互作用力可以?xún)?yōu)化給受體相分離，提升激子的解離效率。當(dāng)Y7在受體中的含量為10%時(shí)，器件的最優(yōu)效率達(dá)到16.28%，為當(dāng)前全小分子OSCs的最高值。
雙給體協(xié)同作用助力高效率三元有機(jī)太陽(yáng)能電池
基于聚合物雙給體S3和PM6，研究者設(shè)計(jì)并制備出效率超過(guò)17.5%的三元OSCs，器件效率的提升主要?dú)w因于其短路電流，開(kāi)路電壓和填充因子的同時(shí)提高。雙給體材料具有互補(bǔ)的吸收光譜和較好的兼容性，這有利于改善有源層的光子俘獲和形貌，進(jìn)而提升器件的短路電流和填充因子。此外，相較于PM6, S3具有較高的HOMO能級(jí)，有助于降低三元器件的非輻射能量損失，進(jìn)而提升器件的開(kāi)路電壓。該論文為利用雙給體分子制備高效率三元OSCs提供了新的策略。
該論文發(fā)表于Energy Environmental & Science 2020年第12期，論文的題目為“Two compatible polymer donors contribute synergistically for ternary organic solar cells with 17.53% efficiency”。北京理工大學(xué)為第一通訊單位，北京理工大學(xué)安橋石特別研究員為第一作者及通訊作者，南方科技大學(xué)孫會(huì)靚副研究員為共同通訊作者。該論文自發(fā)表以來(lái)共計(jì)被引34次，入選最新一期的ESI熱點(diǎn)和高被引論文。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金，北京理工大學(xué)青年教師學(xué)術(shù)啟動(dòng)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助及北京理工大學(xué)分析測(cè)試中心的支持。
文章鏈接：
1.https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ee/d1ee00496d#!divAbstract
2.https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ee/d0ee02516j#!divAbstract
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