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李永舫课题组在钙钛矿/有机叠层太阳电池的研究中取得新进展
2022-02-10 | 编辑:lry | 【 】【打印】【关闭

  近年来,A-DA’D-A型窄带隙小分子受体材料的出现使得有机太阳电池在太阳光谱近红外部分的利用率大幅提高,电池的能量转化效率得到快速提升,已经处在由实验室向大规模商业化应用的转折点。目前限制有机太阳电池走向应用的一个重要因素是有机小分子受体的光稳定性尚不理想,尤其在紫外光照下存在稳定性的问题。 

  在国家自然科学基金委和科技部重点研发计划的支持下,化学研究所有机固体院重点实验室李永舫课题组结合钙钛矿太阳电池紫外光稳定性好、有机太阳电池吸收光谱宽的优点,利用宽带隙钙钛矿材料作为前结电池的活性层,吸收紫外至 650 nm的短波长太阳光、窄带隙有机光伏材料作为后结电池的活性层,吸收650~1050 nm左右的长波长太阳光,构筑了新型钙钛矿/有机叠层太阳电池(图1a)。得益于钙钛矿太阳电池较宽的带隙和出色的紫外光稳定性,其作为前结电池时可以防止紫外光对后结有机太阳电池的破坏,使得钙钛矿/有机叠层电池获得出色的连续光照输出稳定性。 

  在窄带隙有机光伏材料方面,课题组2017年在A-D-A型稠环电子受体ITIC的中心稠环D-单元与末端A-单元之间再插入一个碳碳双键,拓宽了分子的吸收光谱(Chem. Mater. 2017, 29, 10130-10138)。2020年,将此策略拓展到A-DA’D-A类窄带隙小分子受体中,通过在稠环中心核和端基之间插入双键,设计并合成了一系列新型窄带隙受体(BTPV-4FBTPV-4F-eC9等)。此类窄带隙小分子的薄膜吸收边红移至1050 nm 以上,具有高短路电流,已被成功应用于有机叠层太阳电池(Nat. Commun. 2021, 12, 178Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2102361)。最近,课题组在前期基础上通过氯取代得到BTPV-4Cl-eC9(图1b),进一步将带隙降低至1.22 eV 

  在宽带隙钙钛矿材料方面,课题组通过在宽带隙钙钛矿前驱液中加入氯甲脒盐酸盐,成功减小了宽带隙钙钛矿电池的电压损失。理论计算表明氯甲脒阳离子可以同时钝化钙钛矿薄膜体相中的碘离子空位和铅占碘位等缺陷,光致荧光和瞬态光致荧光等测试证明了体相缺陷以及带尾态的显著减少。同时,氯甲脒阳离子的加入有助于钙钛矿晶粒的高质量生长。他们在1.78 eV宽带隙钙钛矿单结电池中,获得了1.25 V的开路电压、83.0%的填充因子与17.6%的光电转换效率,是 p-i-n结构宽带隙钙钛矿电池的最高值之一。 

  最终,由低能量损失的宽带隙钙钛矿前结电池和窄带隙有机后结电池构建了钙钛矿/有机叠层太阳电池(图1c1d),获得了22.0%的光电转换效率,为目前文献报道的钙钛矿/有机叠层太阳电池最高效率之一,同时得益于钙钛矿出色的紫外光稳定性,钙钛矿/有机叠层太阳电池亦表现出优异的紫外光照稳定性。这一成果近期发表在Advanced Materials 上(),文章第一作者是博士生秦书诚,通讯作者为孟磊研究员和李永舫研究员。 

图1. a)双结叠层太阳电池效率与前后结活性层带隙匹配模拟图;(b)有机后结太阳电池中使用的给体、受体材料化学结构;(c)钙钛矿/有机叠层太阳电池截面SEM图像;(d)能级排布图。 

 

有机固体院重点实验室

2022年2月10日 

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