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

發(fā)表時(shí)間：2024/6/28 15:08:01

【二元有機(jī)太陽(yáng)能電池：高效、低成本的未來(lái)能源】

二元有機(jī)太陽(yáng)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(yáng)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(gè)異質(zhì)結(jié)構(gòu)，以提高光電轉(zhuǎn)換效率。

二元有機(jī)太陽(yáng)能電池具有以下特點(diǎn)：

l 高效能光電轉(zhuǎn)換：二元有機(jī)太陽(yáng)能電池利用供體和受體材料的協(xié)同作用來(lái)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(guò)設(shè)計(jì)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(yáng)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(yáng)能電池，有機(jī)太陽(yáng)能電池的制造過(guò)程通常需要較低的溫度，并且可以使用卷對(duì)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(duì)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(yáng)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(wèn)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(yáng)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(shì)】

香港理工大學(xué)李剛教授團(tuán)隊(duì)與加州洛杉磯大學(xué) Yang Yang 教授合作，在二元有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，成功開(kāi)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(shí)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(yáng)能電池效率的新紀(jì)錄。

研究團(tuán)隊(duì)利用 1,3,5-三氯苯 (TCB) 作為結(jié)晶調(diào)節(jié)劑，通過(guò)精細(xì)控制活性層的形態(tài)，實(shí)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(bào)道過(guò)。DFT 模擬進(jìn)一步揭示了 TCB 與活性材料之間通過(guò)氫鍵發(fā)生相互作用。這種相互作用能夠同時(shí)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(guò)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(duì)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(zhǎng)的 TPV 衰減時(shí)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(guò)程。而經(jīng) DIO 處理的混合物則顯示出過(guò)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(duì)進(jìn)一步證實(shí)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(dú)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(guò)對(duì)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(duì)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(shì)。

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(bào)導(dǎo)的高效率 (PCE > 16%) OSC 中低的非輻射復(fù)合損失值。同時(shí)，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(bào)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(shì)，再次驗(yàn)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(diǎn) (MPP) 跟蹤模式下進(jìn)行的 1000 小時(shí)模擬 1 太陽(yáng)光照射應(yīng)力測(cè)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(shí)間）為 660 小時(shí)，遠(yuǎn)高于 DIO 處理的器件的 169 小時(shí)。

研究團(tuán)隊(duì)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(huì)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(wú)殘留： TCB 的優(yōu)異揮發(fā)性可以確保在旋涂過(guò)程中去除，避免殘留物對(duì)器件穩(wěn)定性的負(fù)面影響。

【展望未來(lái)】

二元有機(jī)太陽(yáng)能電池（Binary Organic Solar Cell, BOSC）未來(lái)可能運(yùn)用領(lǐng)域

l 建筑整合光伏（BIPV）：二元有機(jī)太陽(yáng)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(yáng)能電池可以用于制作便攜式太陽(yáng)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(yáng)能提供電力，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率并減少對(duì)傳統(tǒng)電源的依賴。

l 交通工具：可以應(yīng)用于電動(dòng)車、自行車和無(wú)人機(jī)等交通工具上，利用太陽(yáng)能延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間并降低對(duì)電網(wǎng)的依賴。

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

李剛教授團(tuán)隊(duì)的研究成果為有機(jī)太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)更高效率、更穩(wěn)定、更具應(yīng)用前景的分子太陽(yáng)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(yáng)能電池 (OSC) 器件的示意圖，說(shuō)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(duì)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)器件能量損失的影響，以及可能的原因。