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我国学者在非富勒烯有机太阳能电池领域取得突破性进展
2019年01月31日    作者: 姜玮 董建华 陈拥军    发布 : 化学科学部

在国家自然科学基金委面上项目、重大研究计划和国际合作与交流项目(项目编号:21875286、91633301和21761132001)等资助下,我国学者在非富勒烯有机太阳能电池研究中取得突破性进展。相关研究成果以“Single-Junction Organic Solar Cell with over 15% Efficiency Using Fused-Ring Acceptor with Electron-Deficient Core”(基于缺电子核稠环非富勒烯受体的单结有机太阳能电池转化效率突破15%)为题,于2019年1月17日发表在Cell Press旗下的能源旗舰期刊Joule《焦耳》上。

论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435119300327

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图1. 非富勒烯受体分子结构、光伏特性曲线、分子模拟结构、吸收、堆积及不同膜厚外量子效率图

非富勒烯有机太阳能电池因其制备成本低、光电特性易调节、可制成半透明以及可大面积卷对卷印刷等优点,近年来在新能源领域备受关注,成为目前研究的热点。衡量太阳能电池性能的关键指标是其能量转换效率。然而,非富勒烯有机太阳能电池效率仍然较低,其主要原因是由于非富勒烯受体材料的电子迁移率较低从而限制了活性层厚度,以及器件中短路电流与开路电压这两个重要参数总是存在此消彼长情况。

最近,中南大学邹应萍课题组设计合成了一种基于以苯并三氮唑为中心核的DAD稠环结构的A-DAD-A型非富勒烯受体光伏材料。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。进一步通过分子结构优化,将具有更高电子迁移率的苯并噻二唑替代苯并三氮唑引入到分子骨架中,合成了A-DAD-A型受体光伏材料Y6。该分子具有较强的吸收和较窄的带隙(1.33 eV)以及优异的电子迁移率,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)、华南理工大学曹镛和叶轩立研究团队(反向器件制备和表征)合作,制备了正向/反向器件的能量转换效率均为15.7%的单结有机太阳能电池(给体聚合物为PM6),为已报道的单结有机太阳能电池效率的世界最高纪录。这一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。

一般情况下,太阳能电池器件的能量转换效率达到最佳的活性层厚度局限在100 nm左右,而当此共混薄膜厚度增至300 nm时,器件依然可以保持13.6%的能量转换效率,这对于有机太阳能电池的大面积制备非常重要。此项工作对有机太阳能电池未来工业化生产(卷对卷技术)具有积极的影响。

(化学科学部:姜玮 董建华 陈拥军)

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