高效有機光伏材料與器件成功制備

發布時間：2023-06-27 17:58 原文鏈接：高效有機光伏材料與器件成功制備

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有機太陽能電池利用有機半導體光伏活性材料實現太陽光能向電能轉化利用，是具有重要應用潛力的新型光伏技術，包含大量的基礎科學與技術問題，也是國際競爭最為激烈的研究前沿之一。

其中，給體、受體光伏材料和電極界面修飾層材料是有機太陽能電池的關鍵材料，而如何提升光-電能量轉換效率是材料研究的核心問題。

在國家自然科學基金重大研究計劃“面向能源的光電轉換材料”支持下，我國科學家設計合成了系列新型高效有機光伏材料，制備了高效有機太陽能電池器件。

中國科學院院士、中國科學院化學研究所研究員李永舫表示，研發新型電子受體材料以及與之匹配的新型聚合物電子給體材料，優化相應活性層形貌，從而提升器件光伏性能，是該領域的迫切需求。重大研究計劃立項之初，富勒烯衍生物在有機受體光伏材料中占有支配性地位。但是，這類受體材料的光吸收性能較差、電子能級難以調控、能量損失大，這導致有機太陽能電池的能量轉換效率最高只能達到12%。

為攻克富勒烯衍生物受體存在的問題，我國科研人員于2015年原創開發了具有稠環給電子（D）中心單元和強吸電子（A）末端的A-D-A型有機小分子受體光伏材料。這類受體材料具有窄帶隙、寬吸收、合適的電子能級和易加工制備等突出優點。基于這類小分子受體和寬帶隙聚合物給體材料的有機太陽能電池能量轉換效率達到了11%～14%的水平。

在此基礎上，科研人員進一步合成了A-DAD-A結構的新型小分子受體光伏材料，尤其是以苯并噻二唑為A單元的受體Y6，吸收邊紅移至900多納米，還具有合適的電子能級、強的聚集性能、低的激子束縛能。基于Y6及其衍生物受體的有機太陽能電池的能量轉換效率已從2019年報道的15.7%迅速提升至最近的超過19%，達到了可以向實際應用發展的水平。這類新型窄帶隙有機小分子受體光伏材料得到了國際同行的普遍認可，并被廣泛使用，引領和推動了有機光伏領域的發展。

此外，開發與窄帶隙受體匹配的高效聚合物給體光伏材料對提升有機太陽能電池的能量轉換效率十分重要。科研人員原創設計了多種基于帶噻吩共軛側鏈的苯并二噻吩給電子解耦給單元的D-A寬帶隙共聚物給體光伏材料，與受體高度匹配，獲得了優異的有機光伏性能。尤其值得一提的是，2018年報道的具有簡單結構的低成本聚合物給體PTQ10，其二元有機太陽能電池的能量轉換效率超過18.5%，三元器件的能量轉換效率超過19%。

基于聚合物給體和聚合物受體的全聚合物太陽能電池具有成膜性好、柔韌性好和穩定性好的突出優點。然而，早期的全聚合物太陽能電池由于缺少高效的聚合物受體，效率較低。2017年，科研人員提出了窄帶隙小分子受體高分子化的策略，基于A-D-A型和A-DAD-A型小分子受體制備了高效聚合物受體光伏材料，尤其是基于A-DAD-A型小分子受體的聚合物受體光伏材料，使全聚合物太陽能電池的能量轉換效率超過18%。