中科院青岛能源所揭示有机太阳能电池中电荷传输新机制

2021-04-13 15:31:42 来源: 科技日报 作者: 王健高 刘佳

科技日报记者 王健高 通讯员 刘佳

4月13日,记者从中国科学院青岛生物能源与过程研究所获悉,该所科研团队揭示有机太阳能电池中电荷传输新机制,相关研究成果以“Subtle Side Chain Triggers Unexpected Two-Channel Charge Transport Property Enabling 80% Fill Factors and Efficient Thick-Film Organic Photovoltaics”为题目发表在《创新》(The Innovation)期刊上。论文第一作者为李永海副研究员,通讯作者包西昌研究员、阳仁强研究员等人。

有机太阳能电池(OSCs)由于具有轻量化、柔性、可溶液法大面积制备等优点,成为光伏领域的重要研究方向,特别是2015年新型非富勒烯受体的出现,极大地推动了OSCs的发展,然而目前报道的绝大多数的高性能电池均是基于~100 nm的捕光层材料。但在面向应用的大面积器件的印刷制备中,OSCs捕光层厚度是一个绕不开的课题:首先随着膜厚的增加,捕光层内电荷的复合损失显著增加,电池效率迅速下降;其次较薄膜厚的印刷制备会对设备和工艺的要求极为苛刻。科研团队表示,因此,发展新方法开发具有膜厚敏感低的有机光伏材料对于OSCs的印刷制备及应用具有重要意义。

有机分子双通道堆积及厚膜器件应用 李永海 包西昌 供图

最近,中科院青岛能源所先进有机功能材料与器件研究组在前期非富勒烯受体的新型侧链工程研究基础上(Adv. Mater.,2019, 31, 1807832; Adv. Funct. Mater.,2020,30, 2007088等),进一步系统研究并深入揭示了烷基侧链的影响,实现了对分子堆积、捕光层形貌及电荷传输更为精细的调控。

研究发现侧链烷基碳数细微调控对共轭材料分子堆积方式展现出截然不同的影响,在侧链碳数为5时的IDIC-C5Ph受体中存在奇特的分子堆积,科研团队首次提出了双通道电荷传输(TCCT)概念,可实现了电荷更为高效的传输与提取。光伏性能结果表明,IDIC-C5Ph基器件最优条件下的填充因子(FF)可高达80.02%,是常规有机光伏器件中的最高值之一。考虑到TCCT特性在电荷传输及抑制复合方面的优势,IDIC-C5Ph基器件随着膜厚增加到307 nm时FF仍然高达75%,媲美大多数报道的低膜厚器件数据;进一步增加到470 nm时,FF依然大于70%,PCE达到13%。与之对比,常规单通道电荷传输的IDIC-C4Ph器件,最优膜厚105 nm时具有较高的FF(78.05%)和转换效率,但随着厚度增加FF明显降低(300 nm, FF=70.12%; 485 nm, FF=65%)。科研团队认为,这些结果表明侧链诱导的TCCT特性赋予电池低的膜厚敏感性,对大面积电池印刷制备具有重要推动意义。

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责任编辑:何沛苁