魏志祥课题组在有机太阳能电池研究方面取得重要进展

发布时间:2016-12-23 | 【打印】 【关闭】

  近日,国家纳米科学中心纳米系统与多级次制造重点实验室魏志祥研究员、吕琨研究员、邓丹博士和西安交通大学马伟教授等合作,设计并合成的可溶性有机小分子光伏材料,通过活性层形貌优化,获得了11.3%的光电转换效率,这是目前文献报道的可溶性有机小分子太阳能电池的最高效率,也是有机太阳能电池的最高效率之一。相关研究成果发表在Nature Commun., 2016, 7, 13740上。(论文链接http://www.nature.com/articles/ncomms13740)

  有机太阳能电池因为其具有原材料来源丰富、成本低廉、质量轻、可通过印刷制备为大面积柔性器件等优点,成为具有重要应用前景的太阳能利用方式,近年来引起广泛关注。在活性层材料中,相比于聚合物材料,可溶性有机小分子具有纯度高,明确的分子结构和分子量等优点。但是,目前基于有机小分子太阳能电池的效率依然需要进一步提升,尤其是性能更为稳定的反向器件的最高能量转换效率低于9% 

  提高光电转换效率的两个主要途径,一是通过分子设计调控能级结构,二是是通过改善器件活性层形貌从而降低电荷复合,减少能量损失。魏志祥课题组通过改变可溶性小分子的端基受体中氟原子的个数,实现了这两个方面的协同优化。氟化端基有利于降低材料的HOMO能级和光学带隙;同时可以降低与富勒烯受体的相容性和材料的表面能。研究表明,氟化端基诱导了材料在水平方向上多级次相尺寸的分布,即同时存在相纯度高且利于电荷传输的大尺寸颗粒(约100nm)以及增加给受体界面面积且利于电荷分离的小尺寸颗粒(约15nm)。这种多级次相尺寸的分布使电荷分离和传输更趋于平衡,减少了电荷的复合,从而减少能量损失。在垂直方向上,氟化端基提高了表面给体材料的富集程度,在正极表面形成了电子阻挡层,进一步减少了能量损失,从而实现了器件效率的提升。基于此,该课题组提出了反向器件活性层的理想形貌模型,在水平上形成多尺度纳米组装结构,在垂直方向上形成有利于电荷收集的垂直相分布。该工作深入阐述了高效光伏材料的分子设计、形貌调控和器件性能之间的内在关系,对高效率有机光伏材料的设计具有重要借鉴意义。 

  该成果得到国家重点研发计划纳米科技重点专项,国家自然科学基金重点项目,中科院纳米先导专项等项目的支持。

图:不同氟原子取代的分子结构、活性层形貌示意图和器件性能曲线