近紅外非富勒烯受體材料用於高性能聚合物太陽能電池

最新 10-17

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有機太陽能電池（Organic Photovoltaics，簡稱：OPVs）又稱塑料太陽能電池，是採用有機導電材料來收集太陽能的一種電池。該類電池具有原材料豐富、成本低、工藝相對簡單等特點，在大面積工業化生產中具有明顯的優勢，同時所有原材料無毒、無污染，對保護環境具有重要的意義。但有機太陽能電池要實現商業化，最重要的制約因素是當前較低的光電轉化效率。儘管國內外相關的研究取得了較大的進展，但迄今為止大幅度改善有機太陽能電池的光電轉化效率仍未取得顯著的成效，目前有機太陽能電池體系中所使用的光活性材料大多只能吸收太陽光譜中的可見光，光活性材料的吸收峰峰值大多數分布在400-750 nm之間，而可見光只佔太陽光譜的45%左右，約48%的紅外光沒有得到有效的開發利用。理論研究結果表明，如果能探索出吸收可以拓寬至1000 nm的具有近紅外吸收功能的理想光活性材料，有機太陽能電池的光電轉化效率有望達到25%，從而實現商業化應用。

與傳統的硅電池相比，有機太陽能電池的另一個顯著優勢是可以製作成半透明器件，廣泛應用於手機、電腦等攜帶型電子設備以及建築物表面。這種半透明太陽能電池將採光與太陽能發電融為一體，作為高樓大廈外層裝飾、車輛擋風玻璃等的替代品具有很大的潛力，除了傳統玻璃的功能之外，又增加了光電轉化功能，無疑對拓展太陽能電池更為廣泛的應用具有重大的意義。

在此之前，關於有機近紅外光伏材料的研究多出現於活性層的給體材料，直至近幾年，非富勒烯受體材料的興起為開發具有近紅外吸收的有機光活性材料開闢了新的道路。蘇州大學的蔣佐權副教授、廖良生教授與論文的第一作者李永璽博士在前期研究工作的基礎上（J. Mater. Chem. A.,2016,4, 5890;Energy Environ. Sci.,2016,9, 3429;Nano Energy,2016,27, 430）成功設計合成了一種具有近紅外吸收光能力的受體分子BT-IC。該分子以苯並二噻吩（BDT）作為基本單元的梯形共軛骨架，並輔以具有給電子能力的烷氧基側鏈加強分子內的電荷轉移作用來推動吸收光譜的紅移。經測定，該分子的能隙低至1.43 eV，吸收邊緣達到~870 nm。中科院化學所的張志國副研究員和李永舫院士利用該課題組開發的聚合物J61和J71作為給體與BT-IC進行搭配，得到最高10.5%的光電轉換效率。有趣的是，研究人員在共同研究中發現，即使器件中使用的給受體HOMO能級差值非常小（< 0.1 eV），它們之間仍然發生了有效的激子分離。為了進一步理解該現象，美國北卡州立大學的Kenan Gundogdu教授課題組也參與了此項研究，通過瞬態吸收光譜來研究混合膜中激子（exciton）和極化子（polaron）的動力學行為，並發現空穴從受體的HOMO軌道到給體HOMO軌道的傳輸是非常有效的。這一研究結果為進一步開發高效的近紅外受體材料並降低有機光伏器件的能量損失提供了新的思路。

圖1. 相關分子的化學結構和能級模型。

圖2.（a）基於J61:BT-IC (1:1, w/w)和J71:BT-IC (1:1.5, w/w)的有機光伏器件的電流密度-電壓特性曲線；（b）基於J61:BT-IC (1:1, w/w)和J71:BT-IC (1:1.5, w/w)的有機光伏器件的外量子效率特性曲線。

圖3.（a）混合膜J61:BT-IC在1.62 eV激發條件下的瞬態吸收光譜；（b）混合膜J71:BT-IC在1.62 eV激發條件下的瞬態吸收光譜；（c）混合膜J61:BT-IC激子動力學的特性研究；（d）混合膜J71:BT-IC激子動力學的特性研究。

相關研究工作發表在近期出版的Energy & Environmental Science上，並被選為Hot Paper，該工作得到國家自然科學基金的支持。

該論文作者為：Yongxi Li, Lian Zhong, Bhoj Gautam, Hai-Jun Bin, Jiu-Dong Lin, Fu-Peng Wu, Zhanjun Zhang, Zuo-Quan Jiang, Zhi-Guo Zhang, Kenan Gundogdu, Yongfang Li and Liang-Sheng Liao