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13.34%光電轉(zhuǎn)化率 全小分子有機(jī)太陽能電池研究取得進(jìn)展

2020-03-09 14:50  來源:pv-tech  瀏覽:  

有機(jī)太陽能電池作為新一代太陽能電池技術(shù)近年來受到廣泛關(guān)注。相比較于傳統(tǒng)的硅基太陽能電池,有機(jī)太陽能電池具有成本低、柔性、可大面積印刷制備等優(yōu)點(diǎn)。
 
目前制備高效有機(jī)太陽能電池的主流策略是使用聚合物給體和非富勒烯受體材料構(gòu)建活性層。但聚合物材料在制備過程中通常存在分子量和分散度難以精確控制、難提純、材料的批次穩(wěn)定性差等問題,相應(yīng)制備的有機(jī)太陽能電池效率的重復(fù)性降低,不利于大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。
 
而有機(jī)小分子的分子量確定,可以精確合成,易于提純,批次穩(wěn)定性好,有利于大規(guī)模制備。因此,全小分子有機(jī)太陽能電池具有較高的商業(yè)化應(yīng)用潛力。但由于全小分子電池給體和受體都為小分子結(jié)構(gòu),使得其難以形成像聚合物薄膜那樣較為理想的雙連續(xù)互穿網(wǎng)絡(luò)形貌。過強(qiáng)的給體結(jié)晶會(huì)使給體與受體嚴(yán)重共混,而太弱則不利于給體分子間緊密的π-π堆積,從而降低電荷傳輸。所以全小分子電池中難以調(diào)控的相形貌,致使其光電轉(zhuǎn)化效率一直處于較低水平。
 
近期,中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所葛子義團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種具有13.34%光電轉(zhuǎn)化效率的非富勒烯全小分子有機(jī)太陽能電池,這是目前已報(bào)道的全小分子有機(jī)太陽能電池的最高效率之一。
 
研究發(fā)現(xiàn)使用雙氟原子修飾基于苯并二噻吩(BDT)單元的小分子給體的側(cè)基,能有效提升器件電壓,降低分子結(jié)晶性,改善相分離形貌;同時(shí)氟原子的引入能促使分子間更緊密的π-π堆積,從而使器件的效率獲得顯著提升。
 
該研究進(jìn)一步系統(tǒng)分析了不同取代位置和個(gè)數(shù)的氟化對于器件性能和分子堆積的影響,發(fā)現(xiàn)單氟取代對小分子的π-π堆積影響較小,并且其主要通過降低分子的HOMO能級(jí)來提升器件性能。
 
而BDT連接的上下噻吩側(cè)基的雙氟化,則有利于形成F-H的非價(jià)鍵力作用,分子扭轉(zhuǎn)角最小,最利于材料的共軛平面堆積,進(jìn)而得到最高的光電轉(zhuǎn)化效率。相關(guān)成果以13.34%Efficiency Non-fullerene All-Small-Molecule Organic Solar Cells Enabled by Modulating the Crystallinity of Donors via a Fluorination Strategy為題發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》雜志上。

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