高效有机光伏材料与器件成功制备全球热议

2023-06-28 06:11:42 来源 : 中国科学报

(资料图)

有机太阳能电池利用有机半导体光伏活性材料实现太阳光能向电能转化利用，是具有重要应用潜力的新型光伏技术，包含大量的基础科学与技术问题，也是国际竞争最为激烈的研究前沿之一。

其中，给体、受体光伏材料和电极界面修饰层材料是有机太阳能电池的关键材料，而如何提升光-电能量转换效率是材料研究的核心问题。

在国家自然科学基金重大研究计划“面向能源的光电转换材料”支持下，我国科学家设计合成了系列新型高效有机光伏材料，制备了高效有机太阳能电池器件。

中国科学院院士、中国科学院化学研究所研究员李永舫表示，研发新型电子受体材料以及与之匹配的新型聚合物电子给体材料，优化相应活性层形貌，从而提升器件光伏性能，是该领域的迫切需求。重大研究计划立项之初，富勒烯衍生物在有机受体光伏材料中占有支配性地位。但是，这类受体材料的光吸收性能较差、电子能级难以调控、能量损失大，这导致有机太阳能电池的能量转换效率最高只能达到12%。

为攻克富勒烯衍生物受体存在的问题，我国科研人员于2015年原创开发了具有稠环给电子（D）中心单元和强吸电子（A）末端的A-D-A型有机小分子受体光伏材料。这类受体材料具有窄带隙、宽吸收、合适的电子能级和易加工制备等突出优点。基于这类小分子受体和宽带隙聚合物给体材料的有机太阳能电池能量转换效率达到了11%～14%的水平。

在此基础上，科研人员进一步合成了A-DAD-A结构的新型小分子受体光伏材料，尤其是以苯并噻二唑为A单元的受体Y6，吸收边红移至900多纳米，还具有合适的电子能级、强的聚集性能、低的激子束缚能。基于Y6及其衍生物受体的有机太阳能电池的能量转换效率已从2019年报道的15.7%迅速提升至最近的超过19%，达到了可以向实际应用发展的水平。这类新型窄带隙有机小分子受体光伏材料得到了国际同行的普遍认可，并被广泛使用，引领和推动了有机光伏领域的发展。

此外，开发与窄带隙受体匹配的高效聚合物给体光伏材料对提升有机太阳能电池的能量转换效率十分重要。科研人员原创设计了多种基于带噻吩共轭侧链的苯并二噻吩给电子解耦给单元的D-A宽带隙共聚物给体光伏材料，与受体高度匹配，获得了优异的有机光伏性能。尤其值得一提的是，2018年报道的具有简单结构的低成本聚合物给体PTQ10，其二元有机太阳能电池的能量转换效率超过18.5%，三元器件的能量转换效率超过19%。

基于聚合物给体和聚合物受体的全聚合物太阳能电池具有成膜性好、柔韧性好和稳定性好的突出优点。然而，早期的全聚合物太阳能电池由于缺少高效的聚合物受体，效率较低。2017年，科研人员提出了窄带隙小分子受体高分子化的策略，基于A-D-A型和A-DAD-A型小分子受体制备了高效聚合物受体光伏材料，尤其是基于A-DAD-A型小分子受体的聚合物受体光伏材料，使全聚合物太阳能电池的能量转换效率超过18%。

李永舫（前排左二）和器件制备的科研人员进行讨论。受访者供图

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