新纪录:单结有机太阳能电池光电转换效率突破15%!

高分子科学前沿 高分子科学前沿 2019-01-21

有机太阳能电池(OSCs)因其具有质轻、光电特性易调节、可实现半透明以及可加工成大面积柔性器件等优点,近年来备受关注,成为目前热门研究领域之一。衡量太阳能电池性能的关键指标是光电能量转换效率(PCE)。随着材料,器件制备优化及相关机理研究方面不断突破,小面积单结器件的效率达到14%,大面积单结器件的效率也超过10%(面积为1 cm2)。高效率仍然是目前OSCs研究追求的首要目标,也是其实现产业化的关键。利用有机材料的优势,通过优化材料与器件结构来获得更加高效及低成本的有机太阳能电池是科研工作者追求目标。

最近中南大学邹应萍研究团队设计合成了一种基于苯并噻二唑为核的DAD结构稠环的A-DAD-A型非富勒烯有机受体光伏材料Y6,与中国科学院化学研究所李永舫研究团队(正向器件制备和表征)华南理工大学曹镛叶轩立研究团队(反向器件制备和表征)合作制备了正向/反向器件均为15.7%光电转换效率的单结有机太阳能电池,验证效率为14.9%,为已报道单结有机太阳能电池效率的世界最高纪录。该研究成果最近发表在Cell Press旗下的能源旗舰期刊Joule上,题为“Single-Junction Organic Solar Cell with over 15% Efficiency Using Fused-Ring Acceptor with Electron-Deficient Core ”。该研究分子设计成功在器件中开路电压和短路电流密度同时实现最大化,尤其是当共混膜厚度增至300 nm时,器件依然可以保持13.6%的效率,这对于有机太阳能电池的大面积制备非常重要。此项工作为有机太阳能电池未来工业化生产(卷对卷技术)具有积极的推动作用。

有机太阳能电池的性能主要取决于活性层对光的吸收和转换过程,因此活性层材料的设计及合成成为了研究的关键。当前高性能太阳能电池活性层主要采用给体和受体共混的本体异质结结构。广泛应用的给体材料一般是具有推-拉结构的低能隙聚合物或小分子,受体材料则主要是富勒烯及其衍生物。然而,富勒烯衍生物吸收窄以及最低未占据分子轨道能量低(与聚合物共混后能量损失较大),一定程度上限制了短路电流密度及开路电压。近几年来,非富勒烯受体材料的设计和应用得到了快速发展。相比传统的富勒烯受体材料,非富勒烯受体材料可通过简单的化学修饰来调控其吸收光谱和电子能级,从而实现与众多给体材料的匹配获得高性能。然而,非富勒烯有机太阳能电池就目前来说效率仍低于无机太阳能电池。其主要原因是由于非富勒烯受体电子迁移率较低限制了活性层厚度,以及器件中短路电流密度与开路电压这两个重要参数总是存在此消彼长情况,难以同时获得提升。

鉴于此问题,邹应萍研究团队在前期的研究中,将电子受体单元苯并三氮唑引入非富勒烯受体稠环的中心核,形成一种DAD稠环结构,进而合成了A-DAD-A型有机小分子受体光伏材料BZIC。研究表明,这种A-DAD-A型小分子受体可有效拓宽材料吸收光谱、同时降低器件电压损失。基于A-DAD-A型分子结构,他们通过引入具有高迁移率的苯并噻二唑来替代稠环中心的苯并三氮唑、用并噻吩取代稠环末端的噻吩来调控目标分子的电子迁移率和进一步增强和拓宽材料的吸收光谱。这样得到的非富勒烯受体Y6具有较强的吸收和较窄的带隙(1.33eV)以及优异的电子迁移率。

A-C)非富勒烯受体Y6的分子结构和优化后的分子构型;(D)聚合物给体PM6的分子结构;(E-F)PM6和Y6在薄膜状态下的吸收光谱及电化学能级

他们采用Gaussian 16(B.01修正),运用密度泛函ωB97X-D方法在6-31+G (d,p)基组水平上对所设计合成材料进行分子模拟。计算结果发现,连接稠环中心核N原子上的烷基链由于位阻效应,会导致分子自身发生一定的扭曲,进而可以阻止分子过度聚集。从化学合成角度,只需通过引入简单的烷基链就可调控分子的聚集,从而改善目标分子的结晶度和溶解性。这也大大降低了分子合成难度,实现材料低成本化。

非富勒烯受体Y6的合成步骤

作者考察了Y6薄膜状态下的吸收光谱和电化学能级,选取了与其吸收互补能级匹配的聚合物给体材料(PM6)共混。通过与中国科学院化学研究所、华南理工大学合作,在对共混形貌优化后,制备了正向/反向器件均为15.7%光电转换效率的单结有机太阳能电池。为了确保器件效率的准确性,作者将制备好的PM6:Y6器件送至具有资质的Enli Tech.光电实验室进行第三方数据验证。结果显示,基于PM6:Y6的器件可获得14.9%的光伏验证效率。值得注意的是,共混膜在无任何后处理下仍能获得15.3%的光电转换效率。得益于Y6厚膜状态下的高电子迁移率,作者将PM6:Y6的共混膜厚度增至300 nm时,器件依然可以保持13.6%的效率,这对于有机太阳能电池的大面积制备非常重要。

(A)不同膜厚电池的电流-电压曲线;(B)不同膜厚电池的外量子效率曲线;(C)不同膜厚电池的各项参数。

此外,空间电荷限制电流法被用来测定基于PM6:Y6混合膜的空穴和电子迁移率。结果显示,随着膜厚的增加,电荷迁移率随着增加,尤其是电子迁移率(当PM6:Y6混合膜的膜厚从150 nm 增至300 nm时,电子迁移率从 5.90×10-4 cm2·V-1·s-1增至 2.73×10-3 cm2·V-1·s-1)。从掠入射广角X射线衍射(GIWAXS)图发现,PM6:Y6混合膜在out-of-plane有明显的π-π堆积峰,这有利于电荷在活性层中有效地传输。作者用AFM和TEM进一步探索了PM6:Y6混合薄膜形貌。AFM图显示混合膜表现出较均匀的形貌,粗糙度为0.93 nm。TEM图显示PM6:Y6混合膜具有合适的纳米纤维结构,这将有助于器件获得高的短路电流密度和填充因子。该工作表明采用A-DAD-A型非富勒烯受体的设计策略为材料合成提供了新思路。通过匹配合适的聚合物给体,可同时实现器件短路电流密度和开路电压最大化。这一研究成果对单结有机太阳能电池的研究具有极其重要的推动作用

(A-D)Y6与PM6:Y6共混膜的GIWAXS图及相应的曲线;(E)PM6:Y6共混膜的AFM图;(F)PM6:Y6共混膜的TEM图。

该论文的第一作者为中南大学化学化工学院博士生袁俊,通讯作者为中南大学化学化工学院邹应萍教授。合作者还包括中国科学院化学研究所李永舫院士团队(正向器件制备表征), 华南理工大学曹镛院士叶轩立教授团队(反向器件制备表征), 香港中文大学路新慧教授(薄膜形貌测试)和拉瓦尔大学Mario Leclerc教授(分子计算)等。该工作得到了国家自然科学基金委,科技部,湖南省自然科学基金等联合资助。

参考文献:

Jun Yuan, Yunqiang Zhang, Liuyang Zhou,Guichuan Zhang, Hin-Lap Yip, Tsz-Ki Lau, Xinhui Lu, Can Zhu, Hongjian Peng, Paul A. Johnson, Mario Leclerc, Yong Cao, Jacek Ulanski, Yongfang Li, Yingping Zou*,Joule,  2019, 3, 1-12.

论文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435119300327

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来源:Joule

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