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新纪录:16.27%!三元聚合物太阳能电池

Science China Press

自2013年以来,北京交通大学张福俊教授课题组致力于三元有机光伏材料与器件物理的研究,通过甄选材料、优化制备工艺、开发新型表征手段,逐步澄清了三元器件材料甄选原则及器件工作机理。陆续报道了“两步法”、“倒置法”器件制备工艺,并提出了研究三元体系内激子、载流子动力学过程的新方法。材料的兼容性是影响有源层相分离程度、分子间相互作用、器件性能及工作机理的关键因素。6年来,该课题组针对三元体系开展了系列的研究,尝试了聚合物/小分子、聚合物/聚合物、小分子/小分子、双给体、双受体等三元体系,其工作机理仍在进一步研究中。例如有关“合金模型”,初步认为可能是材料间激发态能级简并引起的一种宏观现象,其微观本质没有改变。

最近,张福俊教授团队基于二元器件光伏参数的互补性甄选三元有源层材料,成功制备出效率为16.27%三元器件。此工作已在Science Bulletin上以Short Communication形式报道。PM6:Y6和PM6:IT-4F两种二元器件展现出了互补的短路电流(25.08 mA cm–2 vs. 19.75 mA cm–2),开路电压(0.836 V vs. 0.860 V)和填充因子(73.2% vs. 75.1%)。通过调节第三组分IT-4F在受体中的比例,能够优化PM6:Y6:T-4F三元器件中的这3个光伏参数。当IT-4F在受体中的比例为20 wt%时,三元器件的短路电流为25.40 mA cm–2,开路电压为0.844 V,填充因子为75.9%,最优效率达到16.27%。与PM6:Y6体系二元器件15.35%的效率相比,三元器件的效率提升了约5.9%。不同于先前的报道,该工作中所制备的器件未使用溶剂添加剂,而是采用该课题组提出的“倒置溶剂熏蒸”方法处理有源层。

制备工艺简单、重复性高是有机光伏产业化的必然要求,无溶剂添加剂的三元器件展现出了较大的潜能。第三组分的作用除了拓展有源层光子俘获外,还可以通过调控有源层的消光系数优化光生激子的体分布,进而提高器件的填充因子。该工作进一步证明三元器件有潜力成为有机光伏器件产业化的首选方案。

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该项目由中央高校基本科研业务费(2018JBM061),国家自然科学基金 (61805009 and 61675017),北京市自然科学基金(4192049)资助。

更多详情请阅原文: Qiaoshi An, Xiaoling Ma, Jinhua Gao, Fujun Zhang. Solvent additive-free ternary polymer solar cells with 16.27% efficiency. Science Bulletin, 2019, 64(8)504–506, doi: 10.1016/j.scib.2019.03.024 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927319301768

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