【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，國(guó)家膠體材料工程技術(shù)研究中心張茂杰教授團(tuán)隊(duì)在有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域取得系列進(jìn)展，相關(guān)成果先后發(fā)表在國(guó)際期刊Adv. Funct.Mater和Energy Environ.Sci。
有機(jī)太陽(yáng)能電池由于生產(chǎn)過程簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、半透明和可柔性化等優(yōu)點(diǎn)，在柔性智能設(shè)備等領(lǐng)域具備廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。然而，與高度結(jié)晶的無機(jī)和有機(jī)-無機(jī)雜化半導(dǎo)體(如硅和鈣鈦礦)相比，有機(jī)半導(dǎo)體通常表現(xiàn)出無序的結(jié)構(gòu)，這導(dǎo)致有機(jī)太陽(yáng)能電池內(nèi)部較差的載流子遷移率和嚴(yán)重的雙分子復(fù)合。此外，由于有機(jī)半導(dǎo)體低的介電常數(shù)，有機(jī)太陽(yáng)能電池活性層內(nèi)通常需要存在電子給體和電子受體材料以建立本體異質(zhì)結(jié)形貌。在薄膜形成過程中，受光伏材料不同的結(jié)晶和熱力學(xué)性質(zhì)的影響，不同材料間復(fù)雜相互作用使得形貌調(diào)控變得十分復(fù)雜。因此，優(yōu)化有機(jī)太陽(yáng)能電池內(nèi)部活性層形貌，如結(jié)晶、相區(qū)尺度和垂直相分布，是提升有機(jī)太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。
圖1. DBM對(duì)給體和受體材料分子堆積的影響
圖2. DBM處理對(duì)給體和受體激子擴(kuò)散距離的研究
該團(tuán)隊(duì)成功引入一種新型無鹵素的揮發(fā)性固體添加劑二苯甲酰甲烷(DBM)。通過約化密度梯度(RDG)計(jì)算、紫外-可見-近紅外(UV-vis-NIR)吸收光譜和掠入射廣角X射線衍射(GIWAXS)測(cè)試結(jié)果證明，DBM可以顯著增強(qiáng)給體和受體的有序堆積。DBM處理能有效延長(zhǎng)激子在給體和受體薄膜中的擴(kuò)散距離，促進(jìn)充分的激子解離和有效的電荷傳輸，提升短路電流密度(JSC)和填充因子(FF)。研究發(fā)現(xiàn)，DBM能夠同時(shí)增強(qiáng)給體和受體分子的有序堆積，有效延長(zhǎng)激子擴(kuò)散距離，最終助力二元體系獲得高達(dá)19.4%的PCE。本研究深入闡述了DBM添加劑的作用機(jī)制，對(duì)推動(dòng)有機(jī)光伏的商業(yè)化、可持續(xù)發(fā)展具有實(shí)踐指導(dǎo)價(jià)值。相關(guān)研究成果以“A Halogen-free and Universally Volatile Solid Additive Enables Binary Organic Solar Cells to Exceed 19% Efficiency”為題發(fā)表在國(guó)際期刊Advanced Functional Materials(IF：18.5)。論文的通訊作者為張茂杰教授、團(tuán)隊(duì)教授國(guó)霞，博士研究生韓晨雨和程博為論文的共同第一作者，山東大學(xué)為論文第一單位。
圖3. 光伏材料基本信息
圖4. 薄膜垂直相分布表征及原位成膜動(dòng)力學(xué)分析
該團(tuán)隊(duì)還提出了一種動(dòng)力學(xué)調(diào)控策略，即在活性層成膜過程中，通過引入微量小分子給體(BTR-SCl)原位調(diào)控其結(jié)晶動(dòng)力學(xué)過程。系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，BTR-SCl的加入能與PM6:L8-BO形成級(jí)聯(lián)的能級(jí)排列、互補(bǔ)的光吸收。此外，由于BTR-SCl強(qiáng)的結(jié)晶性，以及與PM6優(yōu)異的相容性，其在薄膜形成過程中，能顯著提升PM6的預(yù)聚集，以及延長(zhǎng)其結(jié)晶生長(zhǎng)時(shí)間。最終，相比于PM6:L8-BO二元薄膜，PM6:BTR-SCl:L8-BO三元混合膜具有更加優(yōu)異的分子堆積，以及顯著的垂直相分布形貌。這為器件內(nèi)部激子的擴(kuò)散、解離、以及載流子的傳輸提供了良好的環(huán)境，最終實(shí)現(xiàn)了器件性能的大幅提升。本研究深入探究了有機(jī)太陽(yáng)能電池內(nèi)部活性層形貌的衍生機(jī)理，為未來開發(fā)高性能有機(jī)光伏器件提供了重要的指導(dǎo)。最終，基于BTR-SCl的三元器件實(shí)現(xiàn)了20.0%的能量轉(zhuǎn)換效率，這代表了基于小分子給體的三元有機(jī)太陽(yáng)能電池的最高值。該研究為未來高效有機(jī)光伏器件的開發(fā)提供了重要指導(dǎo)意義。相關(guān)成果以“Manipulating Crystallization Kinetics and Vertical Phase Distribution via Small Molecule Donor Guest for Organic Photovoltaic Cells with 20% Efficiency”為題發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊Energy & Environmental Science(IF:32.4)。論文的通訊作者為張茂杰教授、國(guó)霞教授，博士研究生程博為論文第一作者，山東大學(xué)為論文第一單位。
該團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于有機(jī)光伏材料與器件相關(guān)的科學(xué)研究，主要包括有機(jī)和聚合物光伏材料的設(shè)計(jì)與合成、高效器件構(gòu)筑與器件物理機(jī)制研究等。在前期工作中，成功開發(fā)出一系列高性能有機(jī)共軛光伏材料，能量轉(zhuǎn)換效率始終保持在國(guó)際前沿水平，推動(dòng)了有機(jī)太陽(yáng)能電池的蓬勃發(fā)展。 相關(guān)研究成果已發(fā)表在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、Macromolecules等期刊。
相關(guān)研究成果得到山東大學(xué)杰出中青年學(xué)者、山東大學(xué)齊魯青年學(xué)者、山東省自然科學(xué)基金和山東省泰山學(xué)者項(xiàng)目的資助和支持。山東大學(xué)結(jié)構(gòu)成分與物性測(cè)量平臺(tái)為性能表征提供了重要支持。
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