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丁黎明课题组有机太阳电池研究取得重要突破

  

  有机太阳电池因为其柔性、轻质、可溶液加工等特点而具有巨大商业应用前景。有机太阳电池活性层通常为二元体系,由一个电子给体和一个电子受体组成,给/受体共混形成纳米尺度互穿网络结构,可提供足够激子解离界面和载流子快速传输通道。由于有机共轭分子有限的光吸收,二元活性层吸光范围较窄,不能充分覆盖太阳辐射光谱。近年来,利用吸收互补的三种材料(如:两给体一受体,一给体两受体)构筑三元有机太阳电池成为一个研究热点(J. Phys. Chem. C 2009, 113, 1620-1623)。由共轭高分子给体、富勒烯受体和非富勒烯受体构筑的三元体异质结太阳电池性能优越,它综合了富勒烯受体的高电子迁移率优势和非富勒烯受体的高可见-近红外吸光优势。 

  2010年以来,国家纳米科学中心丁黎明课题组在有机电子给体,有机电子受体,界面材料,体异质结太阳电池,钙钛矿太阳电池研发方面做了不少探索性、创新性研究(代表性工作请参阅: Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 9038 –9041; Energy Environ. Sci. 2013, 6, 3224–3228; Nanoscale 2014, 6, 9935–9938; Energy Environ. Sci. 2016, 9, 2114–2121; Chem. Commun. 2015, 51, 11830–11833; J. Mater. Chem. A 2015, 3, 9063–9066; Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 6528–6532; Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1601193; Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1602509.)。最近,他们研发了一类新型碳氧桥梯形稠环单元,与传统的碳桥梯形稠环单元如吲哒省类分子(IDT,IDTT)相比,它具有更强的给电子能力和更大分子平面,用它构筑的D-A共聚物给体分子或A-D-A非富勒烯受体分子具备更窄带隙,更强吸光能力,以及更强载流子传输能力,太阳电池可以获得更高短路电流密度(Jsc)、填充因子(FF)和PCESci. Bull. 2017, 62,1331-1336)。在此基础上,他们设计合成了基于八环碳氧桥梯形稠环单元的非富勒烯受体分子COi8DFIC,其光学带隙仅为1.26 eV,在600-1000 nm范围内具有强吸光能力,COi8DFIC与给体PTB7-Th共混制备体异质结太阳电池,获得12.16%PCE26.12 mA cm-2JscSci. Bull. 2017, 62, 1494-1496)。他们将富勒烯受体PC71BM引入COi8DFICPTB7-Th二元体系,经过系统优化,获得14.08%的能量转换效率,这是目前报道的单节有机太阳电池最高效率。添加一定量PC71BM,活性层在短波和长波区的吸光能力明显增强,活性层电子迁移率明显提高,实现更加平衡的载流子传输,电荷复合被进一步抑制,JscFF有显著提高。该三元电池在近红外有较高的外量子效率(EQE),响应波长达1050 nm,在叠层电池和半透明电池方面都将有应用潜力。这个工作以题为“Ternary organic solar cells offer 14% power conversion efficiency”在线发表在Science Bulletin (Sci. Bull. 2017,DOI: 10.1016/j.scib.2017.11.003)。这是有机太阳电池能量转换效率首次突破14% 

  丁黎明课题组获得国家科技部纳米专项和国家自然科学基金的支持。丁黎明研究员是2017年度国家科技部纳米专项“高效稳定大面积有机太阳电池关键材料和制备技术”首席科学家。

 

  (a)PTB7-ThCOi8DFICPC71BM分子结构;(b)PTB7-ThCOi8DFICPC71BM膜吸收光谱;(c)能级图;(d)二元和三元电池J-V曲线;(e)二元和三元电池EQE曲线。