• 作為一種清潔的可再生能源技術,體異質結有機太陽能電池具有成本低、質量輕、機械柔性良好、可大面積制備和原材料豐富等獨特優勢,成為近年來國內外能源器件研究和光電材料研究的前沿和熱點。隨著器件效率的不斷更新,越來越多的研究者將其研究的重點放在如何將有機太陽能電池推廣到實際應用中。這就要求在提高有機太陽能電池效率的同時,需滿足低制造成本、良好的環境穩定性、對材料組份濃度及薄厚厚度不敏感、制備過程環保等條件。

    目前,大多數報道的策略在提升效率的同時可以實現商業化生產的部分需求,而很少有報道可以同時滿足上述需求。因此,構建新型的有機太陽能電池在提高器件光電轉換效率的同時使其具備環保、穩定、制備參數容忍度高等特性具有重要的研究意義。

    最近,電子科技大學陶斯祿教授團隊針對上述重要問題,巧妙利用分子間氫鍵作用成功制備了基于綠色溶劑的高性能有機太陽能電池。氫鍵,作為一種中等強度的分子間作用力,具有良好的方向性及成鍵選擇性,在成膜過程中可以通過自組裝誘導分子有序排布,進而從光學、電學、形貌學等方面改善器件性能。以經典的聚合物/富勒烯(PTB7-Th:PC71BM)體系為例,通過引入第三元有機小分子DIBC,與PC71BM形成分子間氫鍵作用,從而提高了受體材料的靜電勢,增大了給/受體分子間的電勢差,促進了激子的有效解離。

    基于該策略的有機太陽能電池的光電轉換效率從9.69%提升到12.17%,器件的填充因子也從64.56%提升至74.37%。由于DIBC與主體系材料之間良好的混溶性,當摻雜濃度從5%變化到30%,該系列三元器件均保持優異的性能。此外,分子間氫鍵的存在可以有效地抑制受體材料的聚集效應,調控給/受體材料的接觸面,在提高三元器件環境穩定性的同時,賦予器件對薄膜厚度不敏感的特性。當活性層厚度從90 nm增加至280 nm,器件的光電轉換效率仍保持在10.78%以上。該項研究工作為制備高效率有機太陽能器件的全面發展提供了新的思路。

    這一成果近期發表在Advanced Functional Materials上,文章的第一作者是電子科技大學博士研究生杜曉揚。電子科技大學為第一通訊單位。該工作得到國家自然科學基金委、四川省科技廳基金項目的大力支持。 

    2019年08月27日

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    利用“氫鍵”改善有機太陽能電池的性能

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