港理工大李剛教授團(tuán)隊與UCLA二元有機(jī)太陽能電池突破性研究

發(fā)表時間：2024/6/28 15:08:01

【二元有機(jī)太陽能電池：高效、低成本的未來能源】

二元有機(jī)太陽能電池 (Binary Organic Solar Cell, BOSC) 是一種利用兩種有機(jī)材料組成的太陽能電池。這兩種材料通常是供體和受體材料，它們共同形成一個異質(zhì)結(jié)構(gòu)，以提高光電轉(zhuǎn)換效率。

二元有機(jī)太陽能電池具有以下特點：

l 高效能光電轉(zhuǎn)換：二元有機(jī)太陽能電池利用供體和受體材料的協(xié)同作用來吸收和分離光子，這有助于提高光電轉(zhuǎn)換效率。

l 材料多樣性：有機(jī)材料的種類繁多，且其化學(xué)結(jié)構(gòu)可以通過設(shè)計進(jìn)行調(diào)整，以優(yōu)化其光電性能和穩(wěn)定性。

l 輕薄柔性：二元有機(jī)太陽能電池可以制成超薄和柔性的器件，適用于各種表面和結(jié)構(gòu)，這使得其應(yīng)用范圍非常廣泛。

l 低制造成本：相較于傳統(tǒng)的硅基太陽能電池，有機(jī)太陽能電池的制造過程通常需要較低的溫度，并且可以使用卷對卷印刷技術(shù)，大幅降低生產(chǎn)成本。

l 環(huán)境友好：有機(jī)材料的制造和處理對環(huán)境的影響較小，并且許多有機(jī)材料是可再生和可降解的，有助于減少環(huán)境污染。

然而，二元有機(jī)太陽能電池的發(fā)展仍然面臨著一些挑戰(zhàn)，其中最主要的是非輻射復(fù)合損耗問題。非輻射復(fù)合是指光生電子和空穴在未參與電荷收集的情況下直接復(fù)合，導(dǎo)致能量損失，降低效率。因此，如何降低二元有機(jī)太陽能電池中的非輻射復(fù)合損耗，是提升其性能的關(guān)鍵。

【突破性研究_TCB 策略的應(yīng)用及優(yōu)勢】

香港理工大學(xué)李剛教授團(tuán)隊與加州洛杉磯大學(xué) Yang Yang 教授合作，在二元有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，成功開發(fā)出了一種非單調(diào)中間態(tài)操控 (ISM) 策略，有效降低了非輻射復(fù)合損耗，并實現(xiàn)了高達(dá) 19.31% 的 PCE (經(jīng)認(rèn)證為 18.93%)，創(chuàng)造了二元有機(jī)太陽能電池效率的新紀(jì)錄。

研究團(tuán)隊利用 1,3,5-三氯苯 (TCB) 作為結(jié)晶調(diào)節(jié)劑，通過精細(xì)控制活性層的形態(tài)，實現(xiàn)了以下突破：

i. TCB 與活性材料的相互作用

TCB 可以與聚合物供體和 NFA 發(fā)生相互作用，形成新的相，這在 OSC 中以前從未被報道過。DFT 模擬進(jìn)一步揭示了 TCB 與活性材料之間通過氫鍵發(fā)生相互作用。這種相互作用能夠同時提高聚合物供體和 NFA 的結(jié)晶度，促進(jìn)更有效和平衡的電荷傳輸過程。

ii. TCB 處理提高器件效率

研究人員制備了基于 PM6:Y6 的 OSC，并對比了未經(jīng)處理、經(jīng) DIO 處理和經(jīng) TCB 處理的器件性能。結(jié)果表明，經(jīng) TCB 處理的器件顯示出更高的 Voc、Jsc 和 FF，最終獲得了 18.06% 的 PCE，是迄今為止基于 PM6:Y6 的二元系統(tǒng)中最高的效率之一。

iii. TCB 處理提升電荷傳輸和抑制非輻射復(fù)合

經(jīng) TCB 處理的器件表現(xiàn)出更平衡的電子和空穴遷移率，以及更長的 TPV 衰減時間，表明 TCB 處理可以有效地抑制電荷載流子復(fù)合。此外，TCB 具有優(yōu)異的揮發(fā)性，可以有效去除，從而減少了陷阱輔助復(fù)合。

iv. TCB 處理優(yōu)化分子堆疊與形態(tài)

研究人員利用 AFM 和 GIWAXS 表征了經(jīng) DIO 和 TCB 處理的混合物。結(jié)果表明，經(jīng) TCB 處理的混合物具有更高的結(jié)晶度，以及更規(guī)則的分子堆疊，這有利于電荷傳輸過程。而經(jīng) DIO 處理的混合物則顯示出過度的分子聚集，導(dǎo)致更多的陷阱，從而加劇了非輻射復(fù)合。

【TCB-ISM 策略的廣泛適用性】

研究團(tuán)隊進(jìn)一步證實了 TCB-ISM 策略的廣泛適用性，他們將該策略應(yīng)用于五種不同的 OSC 系統(tǒng)中，包括全小分子體系 (BTR-Cl:Y6) 和聚合物:非富勒烯受體體系 (PBDB-T:ITIC、PBDB-T-2Cl:IT-4F、PM1:BTP-eC9 和 PM6:BTP-eC9)，結(jié)果表明，TCB 處理的器件在所有這些體系中都表現(xiàn)出比傳統(tǒng)的 DIO 處理器件更優(yōu)秀的光伏性能。

特別值得關(guān)注的是，在 PM1:BTP-eC9 體系中，使用 TCB-ISM 策略后，器件效率從 DIO 處理的 17.86% 提升至 19.10%。而在 PM6:BTP-eC9 體系中，雖然 DIO 處理的器件已經(jīng)表現(xiàn)出 17.98% 的高效率，但使用 TCB-ISM 策略后，器件效率進(jìn)一步提升至 19.31%，創(chuàng)造了二元 OSC 的高效率紀(jì)錄（經(jīng)獨立第三方認(rèn)證為 18.93%）。

【結(jié)論】

l 抑制非輻射復(fù)合損失的有效性：

通過對兩種高效率 OSC 體系 (PM1:BTP-eC9 和 PM6:BTP-eC9) 的能量損失 (Eloss) 分析，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn) TCB-ISM 策略在抑制非輻射復(fù)合損失方面表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。

在 PM1:BTP-eC9 體系中，TCB 處理的器件的 △E3 值僅為 0.168 eV，這是目前報導(dǎo)的高效率 (PCE > 16%) OSC 中低的非輻射復(fù)合損失值。同時，TCB 處理的器件也表現(xiàn)出更高的電致發(fā)光量子效率 (EQEEL)，達(dá)到了 1.1 × 10?3，這也是目前報導(dǎo)的高效率 OSC 中的最高值。

在 PM6:BTP-eC9 體系中，TCB-ISM 處理的器件也表現(xiàn)出類似的 Eloss 趨勢，再次驗證了 TCB-ISM 策略在抑制非輻射復(fù)合損失方面的有效性。值得注意的是，TCB-ISM 處理的器件的 △E3 值略高于 PM1 基礎(chǔ)的 OSC，但仍然保持著非常低的水平。

l 改善器件穩(wěn)定性的能力：

除了抑制非輻射復(fù)合損失，TCB-ISM 策略還可以顯著提高器件的穩(wěn)定性。在最大功率點 (MPP) 跟蹤模式下進(jìn)行的 1000 小時模擬 1 太陽光照射應(yīng)力測試表明，TCB 處理的器件可以保持 78% 的初始效率，而 DIO 處理的器件僅能保持 69% 的初始效率。更重要的是，TCB 處理的器件的 T80 壽命（器件效率下降至初始值的 80% 所需的時間）為 660 小時，遠(yuǎn)高于 DIO 處理的器件的 169 小時。

研究團(tuán)隊認(rèn)為，TCB-ISM 策略改善器件穩(wěn)定性的原因主要包括：

n 抑制非富勒烯受體 (NFA) 聚集： TCB 可以誘導(dǎo)形成均勻的分子聚集，抑制孤立的 NFA 聚集體的形成，這些聚集體會充當(dāng)形態(tài)陷阱，加速器件的降解。

n 提高結(jié)晶度： TCB 處理的混合物具有更高的結(jié)晶度，這有助于延緩器件在光照條件下形態(tài)的演變。

n 無殘留： TCB 的優(yōu)異揮發(fā)性可以確保在旋涂過程中去除，避免殘留物對器件穩(wěn)定性的負(fù)面影響。

【展望未來】

二元有機(jī)太陽能電池（Binary Organic Solar Cell, BOSC）未來可能運用領(lǐng)域

l 建筑整合光伏（BIPV）：二元有機(jī)太陽能電池可以用于建筑物的表面，如窗戶、幕墻和屋頂，提供綠色能源并且不影響建筑的外觀。

l 可穿戴設(shè)備：其輕薄和柔性的特性使其非常適合用于可穿戴設(shè)備，如智能手表、健身追蹤器等，提供持續(xù)的能源供應(yīng)。

l 便攜式電子設(shè)備：二元有機(jī)太陽能電池可以用于制作便攜式太陽能充電器，為手機(jī)、平板電腦等設(shè)備提供方便的充電方案。

l 農(nóng)業(yè)應(yīng)用：可以用于農(nóng)業(yè)傳感器、灌溉系統(tǒng)等，利用太陽能提供電力，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率并減少對傳統(tǒng)電源的依賴。

l 交通工具：可以應(yīng)用于電動車、自行車和無人機(jī)等交通工具上，利用太陽能延長續(xù)航時間并降低對電網(wǎng)的依賴。

l 公共設(shè)施：二元有機(jī)太陽能電池可以用于街燈、公共座椅等戶外設(shè)施，提供獨立的電力供應(yīng)，減少市政電力消耗。

李剛教授團(tuán)隊的研究成果為有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的思路，也證明了非單調(diào)中間態(tài)轉(zhuǎn)變策略在提高效率和降低非輻射復(fù)合損失方面的巨大潛力。為實現(xiàn)更高效率、更穩(wěn)定、更具應(yīng)用前景的分子太陽能電池提供了新的方向。

【本研究參數(shù)圖】

Figure S15.The copy images of PCE certificate from Enli Tech. Optoelectronic Calibration Lab. for the TCB processed PM6:BTP-eC9 OSC

Figure 2. (a) 本工作中使用的器件結(jié)構(gòu)：此圖展示了有機(jī)太陽能電池 (OSC) 器件的示意圖，說明了不同層排列方式和結(jié)構(gòu)。

(b) 基于 PM6:Y6 的 OSC 在使用基準(zhǔn)溶劑添加劑 DIO 和 TCB 的情況下的 J-V 曲線：此圖展示了在不同電壓下，使用不同溶劑添加劑的器件的電流-電壓特性，可以觀察到不同溶劑添加劑對器件性能的影響。

(c) 基于 PM6:Y6 的 OSC 在使用 DIO 和 TCB 的情況下的 EQE 光譜：此圖展示了使用不同溶劑添加劑的器件在不同波長光照下的外部量子效率 (EQE) 光譜，可以觀察到不同溶劑添加劑對器件光電轉(zhuǎn)換效率的影響。

(d) 使用 DIO 和 TCB 的 PM6:Y6 基 OSC 的 PCE 直方圖：此圖展示了使用不同溶劑添加劑制備的器件的能量轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 分布，可以觀察到不同溶劑添加劑對器件效率的影響。

(e) 使用不同處理方式的 PM6:Y6 器件在不同注入電流密度下的 EQEEL：此圖展示了不同處理方式的器件的電致發(fā)光量子效率 (EQEEL) 與注入電流密度的關(guān)系，可以觀察到不同處理方式對器件光電轉(zhuǎn)換效率的影響。

(f) 使用 DIO 和 TCB 處理的 PM6:Y6 器件的詳細(xì)能量損失：此圖展示了使用不同處理方式的器件的能量損失 (Eloss)，可以觀察到不同處理方式對器件能量損失的影響，以及可能的原因。