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北理工在有机太阳能电池构筑及性能优化方面取得进展


近日(ri),北(bei)(bei)京(jing)(jing)理工(gong)(gong)(gong)(gong)大(da)学化(hua)学与化(hua)工(gong)(gong)(gong)(gong)学院硕(shuo)士研究(jiu)(jiu)生蒋梦云(yun)以第一(yi)(yi)作者身份在国(guo)际顶级期刊(kan)Energy Environmental & Science (IF: 38.5)发表题目为(wei)“Rational compatibility in a ternary matrix enables all-small-molecule organic solar cells with over 16% efficiency”的(de)(de)研究(jiu)(jiu)论(lun)文(wen),此论(lun)文(wen)被(bei)选为(wei)该杂(za)志2021年第7期的(de)(de)Front Cover。北(bei)(bei)京(jing)(jing)理工(gong)(gong)(gong)(gong)大(da)学为(wei)第一(yi)(yi)通(tong)讯(xun)单(dan)位,北(bei)(bei)京(jing)(jing)理工(gong)(gong)(gong)(gong)大(da)学安桥石特别研究(jiu)(jiu)员、王金(jin)(jin)亮教(jiao)授(shou)和北(bei)(bei)京(jing)(jing)交通(tong)大(da)学张福俊(jun)教(jiao)授(shou)为(wei)共同通(tong)讯(xun)作者,本研究(jiu)(jiu)得到了国(guo)家(jia)自然科(ke)学基(ji)金(jin)(jin),北(bei)(bei)京(jing)(jing)市自然科(ke)学基(ji)金(jin)(jin)和北(bei)(bei)京(jing)(jing)理工(gong)(gong)(gong)(gong)大(da)学青年教(jiao)师(shi)学术(shu)启动计划(hua)等项目的(de)(de)资助及北(bei)(bei)京(jing)(jing)理工(gong)(gong)(gong)(gong)大(da)学分析(xi)测试中心的(de)(de)支持。

《Energy Environmental & Science》2021年第7期杂志封面及器件优(you)化原理(li)

环境污(wu)染和(he)(he)能(neng)源(yuan)危(wei)机(ji)(ji)是当今世界面临(lin)的(de)(de)(de)两大(da)难题,开发和(he)(he)利用高(gao)效(xiao)(xiao)率(lv)清洁能(neng)源(yuan)是国(guo)家能(neng)源(yuan)战略(lve)中(zhong)亟需解(jie)决的(de)(de)(de)重(zhong)大(da)科(ke)学问题,也(ye)是我国(guo)实(shi)(shi)现(xian)可持续(xu)发展的(de)(de)(de)重(zhong)要举措。有机(ji)(ji)太阳(yang)能(neng)电(dian)池(chi)(organic solar cells,OSCs)是一种有潜力(li)的(de)(de)(de)绿(lv)色光(guang)电(dian)转(zhuan)换(huan)技术,其(qi)(qi)具(ju)有原材(cai)料(liao)(liao)丰(feng)富、质量(liang)轻、柔性(xing)、半(ban)透(tou)明、多(duo)彩、可大(da)面积制(zhi)备等优(you)点,已成(cheng)为(wei)(wei)当今新(xin)能(neng)源(yuan)领域(yu)最富活(huo)力(li)和(he)(he)生机(ji)(ji)的(de)(de)(de)研(yan)究前(qian)沿(yan)之一。OSCs的(de)(de)(de)独特优(you)势为(wei)(wei)其(qi)(qi)商业化应用提(ti)供了(le)广阔(kuo)的(de)(de)(de)空间,有助于(yu)实(shi)(shi)现(xian)与其(qi)(qi)它类(lei)型太阳(yang)能(neng)电(dian)池(chi)形成(cheng)互补(bu),以(yi)及(ji)填补(bu)光(guang)伏市场在柔性(xing)和(he)(he)半(ban)透(tou)明器件(jian)(jian)方面的(de)(de)(de)缺位。由于(yu)小(xiao)分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)材(cai)料(liao)(liao)具(ju)有结构简单、明确(que),易合成(cheng),易提(ti)纯(chun),批次稳定性(xing)好等优(you)势,全小(xiao)分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)OSCs有潜力(li)成(cheng)为(wei)(wei)最适合产业化的(de)(de)(de)光(guang)伏器件(jian)(jian)。为(wei)(wei)制(zhi)备出高(gao)效(xiao)(xiao)率(lv)的(de)(de)(de)全小(xiao)分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)器件(jian)(jian),研(yan)究者选择了(le)具(ju)有合理(li)兼容性(xing)的(de)(de)(de)三种小(xiao)分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)材(cai)料(liao)(liao)B1,BO-4Cl和(he)(he)Y7作(zuo)为(wei)(wei)器件(jian)(jian)的(de)(de)(de)有源(yuan)层。受体(ti)(ti)分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)Y7与BO-4Cl兼容性(xing)最好,而(er)给体(ti)(ti)B1与受体(ti)(ti)Y7的(de)(de)(de)兼容性(xing)最差(cha)。在混合薄膜中(zhong)两种受体(ti)(ti)分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)倾向于(yu)形成(cheng)类(lei)合金(jin)态,通过调控两种受体(ti)(ti)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)比例,能(neng)够有效(xiao)(xiao)改善(shan)有源(yuan)层的(de)(de)(de)分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)排布,结晶程度及(ji)大(da)小(xiao),从而(er)促(cu)进电(dian)荷的(de)(de)(de)传输与收集。而(er)B1与 Y7分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)间较大(da)的(de)(de)(de)相(xiang)互作(zuo)用力(li)可以(yi)优(you)化给受体(ti)(ti)相(xiang)分(fen)离(li),提(ti)升激子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)解(jie)离(li)效(xiao)(xiao)率(lv)。当Y7在受体(ti)(ti)中(zhong)的(de)(de)(de)含量(liang)为(wei)(wei)10%时,器件(jian)(jian)的(de)(de)(de)最优(you)效(xiao)(xiao)率(lv)达到16.28%,为(wei)(wei)当前(qian)全小(xiao)分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)OSCs的(de)(de)(de)最高(gao)值。

图三 双给体协同作用助力高效率三元有机太阳能电池_副本.png

双给体(ti)协同(tong)作用助力高效率三元有机太(tai)阳能电池

基于(yu)(yu)聚合(he)物双给(ji)体S3和(he)(he)PM6,研(yan)究(jiu)者设计并制备(bei)出效(xiao)率超(chao)过17.5%的(de)三(san)元(yuan)OSCs,器(qi)件效(xiao)率的(de)提(ti)升(sheng)(sheng)主要归因(yin)于(yu)(yu)其短路电(dian)(dian)流(liu)(liu),开路电(dian)(dian)压(ya)和(he)(he)填充因(yin)子(zi)的(de)同时提(ti)高(gao)(gao)。双给(ji)体材(cai)料具有互补的(de)吸收光(guang)(guang)谱和(he)(he)较好的(de)兼容(rong)性(xing),这有利(li)于(yu)(yu)改善有源层的(de)光(guang)(guang)子(zi)俘(fu)获和(he)(he)形(xing)貌(mao),进而提(ti)升(sheng)(sheng)器(qi)件的(de)短路电(dian)(dian)流(liu)(liu)和(he)(he)填充因(yin)子(zi)。此外,相较于(yu)(yu)PM6, S3具有较高(gao)(gao)的(de)HOMO能级,有助(zhu)于(yu)(yu)降低(di)三(san)元(yuan)器(qi)件的(de)非辐射能量损失,进而提(ti)升(sheng)(sheng)器(qi)件的(de)开路电(dian)(dian)压(ya)。该论文为(wei)利(li)用双给(ji)体分子(zi)制备(bei)高(gao)(gao)效(xiao)率三(san)元(yuan)OSCs提(ti)供(gong)了新(xin)的(de)策略(lve)。

该(gai)论(lun)文发表于Energy Environmental & Science 2020年第(di)12期,论(lun)文的(de)(de)(de)题目(mu)(mu)为(wei)“Two compatible polymer donors contribute synergistically for ternary organic solar cells with 17.53% efficiency”。北京(jing)(jing)理(li)(li)工大(da)学(xue)(xue)为(wei)第(di)一通讯单位,北京(jing)(jing)理(li)(li)工大(da)学(xue)(xue)安桥石(shi)特别研(yan)(yan)究(jiu)员(yuan)为(wei)第(di)一作(zuo)者(zhe)及(ji)通讯作(zuo)者(zhe),南方科(ke)技(ji)大(da)学(xue)(xue)孙会(hui)靓副研(yan)(yan)究(jiu)员(yuan)为(wei)共同通讯作(zuo)者(zhe)。该(gai)论(lun)文自发表以来共计(ji)被(bei)引(yin)34次,入选(xuan)最新一期的(de)(de)(de)ESI热点和高(gao)被(bei)引(yin)论(lun)文。本研(yan)(yan)究(jiu)得到(dao)了国家(jia)自然(ran)科(ke)学(xue)(xue)基金,北京(jing)(jing)理(li)(li)工大(da)学(xue)(xue)青年教师学(xue)(xue)术启动(dong)计(ji)划等项目(mu)(mu)的(de)(de)(de)资助及(ji)北京(jing)(jing)理(li)(li)工大(da)学(xue)(xue)分析测(ce)试中心(xin)的(de)(de)(de)支持(chi)。

文章(zhang)链接:

1.http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ee/d1ee00496d#!divAbstract

2.http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ee/d0ee02516j#!divAbstract


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