侯剑辉/张少青《ChemSusChem》:超过10%!基于P3HT有机太阳能电池的效率新纪录


有机太阳能电池因其轻质柔性、可采用低成本涂布技术实现大面积生产等独特优势而备受关注。近年来,通过开发新型光活性层材料以及对其聚集态结构的有效调控,有机太阳能电池的光伏效率取得了不断突破。然而,日渐成熟的分子设计策略使得光伏材料的分子结构越来越复杂,使其面临成本过高和难以大批量制备等难题,成为制约有机光伏技术产业化的关键因素。


经典的导电聚合物聚(3-己基噻吩)(P3HT)已实现了低成本批量生产,是实现有机太阳能电池应用最具潜力的聚合物给体之一,近年来非富勒烯受体(NFA)的大量涌现也为有效提高其光伏效率提供了可能性,然而,由于大部分NFA与P3HT之间的相容性过强而致使二者在活性层中无法形成可以高效传输载流子的连续通道,基于P3HT:NFA的有机太阳能电池的光伏效率仍然较低,无法满足实际应用的需求。因此,通过材料设计或形貌优化手段调节P3HT与NFA之间的相容性是提高基于P3HT有机太阳能电池光伏性能的关键。

近日,中国科学院化学研究所侯剑辉研究员和北京科技大学张少青副教授等人在先前报导过的P3HT:ZY-4Cl体系(Energy Environ. Sci., 2020, 13, 2864.)中,采用可挥发性固体添加剂,SA4,诱导活性层分子堆积更加有序,实现了基于P3HT的有机太阳能电池光伏效率10%的突破。差示扫描量热(DSC)和原子力显微镜(AFM)测试结果表明SA4主要与受体ZY-4Cl相互作用,对其聚集态结构有明显的影响。与传统的液体添加剂1,8-二碘代辛烷(DIO)相比,SA4与DIO对ZY-4Cl的光学和结晶特性具有相似的作用,但对活性层微观形貌的影响却大有不同。研究结果表明,可挥发性固体添加剂SA4的引入使得活性层分子堆积更加有序,可形成更加有利的相分离形貌,从而促进电荷传输并抑制载流子复合,获得更高的短路电流和填充因子。另外,SA4的引入还可以减少器件的能量损失,有利于开路电压的提升。因此,固体添加剂SA4的使用使得P3HT:ZY-4Cl器件的三项光伏参数均有所提升,最终实现了10.24%的记录效率,展现了基于P3HT的有机太阳能电池良好的发展前景。


图1 基于P3HT的有机太阳能电池的光伏效率超过10%。


该研究结果近期发表在ChemSusChem。论文的第一作者为北京科技大学博士研究生杨晨熠,通讯作者为侯剑辉研究员张少青副教授


Citation: Chenyi Yang, Runnan Yu, Chenyu Liu, Hao Li, Shaoqing Zhang, Jianhui Hou. Achieving over 10% Efficiency in Poly(3-hexylthiophene)-based Organic Solar Cells via Solid Additives. ChemSusChem, 2021, 14, DOI: 10.1002/cssc.202100627.


论文链接: 

https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cssc.202100627


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