中科院纳米中心等在降低有机太阳能电池能量损失方面取得进展

今日热点 2022-06-21 13:50 15

摘要:近日,中国科学院国家纳米科学中心等设计合成了兼具低能量损失和高能量转换效率的非富勒烯小分子受体材料,为获得高性能有机太阳能电池开辟了新的途径。相关成果发表在《自...

近日,天津市公布2022国有建设用地供应计划 计划国有建设用地4710公顷中科院国家纳米科学中心设计合成了低能量损耗、高能量转换效率的非富勒烯受体材料,为获得高性能有机太阳能电池开辟了新的途径。相关结果发表在《自然-通讯》(自然通讯)。图片来自《自然-通讯》(Nature  Communications)

图片来自《自然-通讯》(自然通讯)

上述研究由中国科学院国家纳米科学中心纳米系统与多级制造重点实验室研究员魏志祥、吕坤、朱凌云和山东大学教授郝晓涛完成。结果表明,通过降低光电转换过程中受体的复合能量,可以有效地减少非辐射复合和驱动激子离解所造成的能量损失。当开路电压(VOC)高于0.93伏时,效率可达18.2%,能量损失低至0.48电子伏。这是迄今文献报道的效率超过17%的二元有机光伏系统中最小的能量损失。

目前,有机太阳能电池(OSCs)由于其重量轻、溶液加工、半透明和柔性而被关注广泛接受。随着爆炸材料设计的发展和器件工艺的优化,基于Y--system无富勒烯受体的有机太阳能电池效率在第二组分中超过18%,在第三组分中超过19%。

然而,与无机和钙钛矿太阳能电池相比,有机太阳能电池的能量损失(即电压损失)相对较大,这成为限制有机太阳能电池光伏性能的瓶颈因素。目前大多数高性能有机太阳能电池的开路电压被限制在0.8至0.9伏,能量损失一般大于0.5电子伏。为了进一步提高有机太阳能电池的效率,有必要深入了解能量损失的来源,并通过合理的分子设计进一步降低能量损失。

有机太阳能电池的能量损失主要来自两个方面:激子解离所需的驱动力和无辐射复合。非辐射复合与电子-振动耦合有关(即复合能量,描述了电子转移过程中分子几何形状的变化,反映了电子与分子内振动的相互作用)。复合能在有机太阳能电池的整个光电转换过程中起着重要的作用。小的复合能量有助于抑制非辐射符合,降低激子解离所需的驱动力。

最近,中科院国家纳米中心等研究组以Y型非富勒烯受体为分子骨架,用喹喔啉(Qx)的六元环核取代苯并噻唑(BT)的五元环核,设计合成了小的非富勒烯受体Qx-1和Qx-2。a)Y6、Qx-1和Qx-2受体的化学结构;b)光电转换过程中,不同电子态之间相互跃迁的重组能变化示意图;c)理论计算的三个受体中不同电子态之间相互跃迁的重组能;d)效率统计分布图;e)不同体系能量损失与效率统计图,图片来自中科大国家纳米科学中心

a)a)Y6、QX-1和QX-2受体的化学结构;b)光电转换过程中不同电子态之间相互跃迁的复合能量变化示意图;c)理论计算的在不同电子态之间跃迁的三种受主的复合能量;d)效率的统计分布图;e)不同系统的能量损失和效率统计图,图片来自中科大国家纳米科学中心。

理论计算和薄膜形貌、激子和电荷动力学的结果表明,上述两种受体在光电转换过程中的复合能量显著降低,有利于延长激子寿命和扩散长度,促进电荷转移,抑制激子解离和无辐射复合造成的能量损失。以聚合物PM6为供体,QX-1和QX-2为受体的二元有机光伏系统的能量损耗分别降低到0.508和0.482 eV,两个系统的开路电压都在0.9V以上,能量转换效率在18%以上。

上述研究揭示了降低复合能对于降低有机太阳能电池能量损失的重要性,并为进一步提高有机太阳能电池的效率提供了新的策略。

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