異質結有機太陽能電池
關注創建者：匿名 創建時間：2021-10-22
異質結有機太陽能電池的實例教程
【引言】
鈣鈦礦太陽能電池以其優異的能量轉換效率，在光伏領域掀起了新的研究熱潮。近幾年，鈣鈦礦電池的光電轉換效率逐步飛升，通過調整鈣鈦礦成分使其效率已高達到22%。這種強大的電池性能主要歸功于鈣鈦礦材料獨特的特性，如低激子結合能、吸收可見光的可調帶隙、高吸收系數、特別是雙極性特性。研究發現，鈣鈦礦多晶薄膜的電子、空穴遷移率差異較大，尤其對于P型鈣鈦礦，其空穴遷移率遠高于電子遷移率。當器件在光照時，電子傳輸必然存在一定損耗。構建體異質結是加速激子分離、提高光生載流子抽取和輸運效率的有效手段。目前，基于體異質結的有機太陽能電池的應用已經非常成功，但是將體異質結應用于鈣鈦礦太陽能電池的工作鮮有報道。顯然，選擇合適的半導體材料（高的載流子遷移率以及合適的能帶結構）是構建高性能體異質結的關鍵。
石墨炔是一種sp和sp2雜化的π共軛體系的二維材料，其獨特的碳結構賦予了材料新的內涵，包括豐富的碳化學鍵、大的共軛體系、寬面間距、優良的物理化學穩定性和平面內均勻分布的孔洞結構，表現出n型半導體特性，且擁有適當的帶隙、理論上高的電子態密度及良好的疏水性。
【成果簡介】
近日，物理所李冬梅、孟慶波教授聯合北化所李玉良院士（共同通訊作者）在鈣鈦礦太陽能電池展開合作，通過反溶劑法一步將石墨炔引入FA0.85MA0.15Pb(I0.85Br0.15)3鈣鈦礦層，構建了石墨炔/鈣鈦礦（GDY/PVSK）體異質結薄膜。
展開 江西師范大學陳義旺教授、廖勛凡教授團隊報導了一種有效的器件制備策略，通過調節材料的溶解度和結晶性，使用綠色正交溶劑實現了高效平面異質結器件的成功制備，該結構可以最大程度地減少材料相容性以及制備過程對底層沖刷的影響，具有清晰的D/A接觸界面，并且兩層的獨立處理可提供最佳的自聚集形態，更有效的電荷傳輸通道以及良好的給受體包裝狀態，為平面異質結器件的深入研究指出了方向。
有機太陽電池技術是一種具有巨大研究前景的綠色科技手段，可以有效地將光能轉換為電能。由于它具有重量輕，制造成本低，可柔性制備，可印制為彩色模塊，半透明，可大面積制備等優點，在科學界引起了廣泛的關注。其中，器件工程是提高有機太陽能電池光伏性能的一條有效途徑。當前廣泛應用的本體異質結（BHJ）結構器件存在著相形貌不穩定，材料溶解性限制等問題，近年來新興的準平面異質結（PPHJ）結構的器件同樣被溶劑沖刷損耗以及難以滿足大面積印刷技術的要求等問題所困擾。然而，這些問題可以通過傳統的平面異質結（PHJ）結構的合理應用所解決。在實驗室制備的過程中，由于正交溶劑之間的不相溶性，下層活性層的牢固性更好，在順序旋涂時難以被沖刷，能很好的避免材料損失，此外，在大面積制備有機太陽能電池（OSC）的過程中，卷對卷印刷和噴墨印刷之間的應力方向差異可能會影響聚合物鏈段的分子堆積方向和相分離，這些負面影響也可以通過采用正交溶劑的方法得到緩解，因此PHJ結構也更適合大規模工業生產。因此，本文選擇了PM6:BO-4F體系為研究對象，通過將順序旋涂策略和正交溶劑策略相結合來制備PHJ有機太陽能電池。
展開 有機太陽能電池作為一種清潔技術在未來能夠被應用于各種場合，包括物聯網，智能玻璃和電子皮膚等。目前基于雙組分的本體異質結太陽能電池能量轉換效率已經超過18%，但是由于給受體的自聚集效應使本體異質結有機太陽能電池的穩定性大大降低。而將給受體分子通過共價鍵連接成單一分子作為活性層應用于單組分太陽能電池可以極大提高其穩定性。同時單組分有機太陽能電池其制備工藝簡單，光電轉換過程易于理解等都有助于其未來在大面積以及柔性光電器件方面的應用。盡管單組分有機太陽能電池已經有幾十年的發展歷史，但是由于材料及其合成方法有限和形貌調控困難等，其能量轉換效率大都低于3%。
圖1 (a)單組分和雙組分有機太陽能電池圖示 (b)自2000年以來其能量轉換效率
自2017年以來，
李韋偉教授團隊在單組分有機太陽能電池方面取得眾多突破。在材料合成方面，團隊采用"functionlization-polymerization"方法，即先功能化，再聚合的方法設計合成雙纜共軛高分子，如圖2。先將芳香酰亞胺引入聚合單體，采用鈀催化的Stille、Suzuki、C-H活化聚合等設計合成一系列D-A結構的雙纜共軛高分子，如圖3。
圖2 “functionlization-polymerization”方法設計合成雙纜共軛高分子
圖3 一些雙纜共軛高分子結構
在形貌調控和表征方面，團隊利用GIWAXS、GIMAXS等多種手段，研究雙纜共軛高分子結晶情況，研究發現其能形成與嵌段共聚物類似的層狀相分離，并構建了如圖4所示的層狀堆積模型。
展開 有機太陽電池（OSCs）由于其結構簡單、質量輕、可大面積制備等優點，受到了廣泛的關注。近年來，隨著新型光敏活性層材料的快速發展和對活性層形貌調控的深入理解，OSCs的能量轉換效率（PCE）不斷取得突破。其中，活性層形貌調控對于提升器件效率至關重要。然而，基于本體異質結（BHJ）結構的活性層形貌較難調控，最佳形貌通常處于亞穩態且受熱力學控制，因此，隨著時間的遷移以及外部條件的變化，BHJ活性層向著熱力學穩定狀態變化，活性層的給/受體兩相發生擴散，導致活性層中激子分離效率降低、器件性能下降。相對于BHJ，通過連續旋涂法制備的準平面異質結（PPHJ）OSCs，可以優化活性層垂直相分離形貌，促進電荷轉移和收集，同時可以提高活性層形貌穩定性，有利于獲得高效、穩定的OSCs。因此，PPHJ OSCs具有非常大的研究價值。
南昌大學/江西師范大學陳義旺教授團隊在前期的研究中引入三元準平面異質結策略，通過連續旋涂給體層PM6，混合受體層F8IC:IT-4F制備出效率為14.2%的PPHJ三元OSCs器件（PM6/F8IC:IT-4F），有效改善了活性層垂直相分布，最終優化了器件性能（Adv. Funct. Mater. 2020, 1909760）。在此基礎上，該團隊進一步將三元準平面異質結的策略應用于大面積刮涂，通過連續刮涂給體層PM6和受體混合層ICBA:IT-4F，成功得到器件效率高達14.25%（有效面積為1.04 cm2）的大面積PPHJ三元OSCs器件（PM6/ICBA:IT-4F）。（Adv. Funct. Mater. 2020, 2003223.）。
展開 南開大學化學學院陳永勝教授領銜的團隊在有機太陽能電池領域研究中獲突破性進展。他們設計和制備的具有高效、寬光譜吸收特性的疊層有機太陽能電池材料和器件，實現了17.3%的光電轉化效率，刷新了目前文獻報道的有機/高分子太陽能電池光電轉化效率的世界最高紀錄。這一最新成果讓有機太陽能電池距離產業化更近一步。介紹該研究的論文在線發表于國際頂級學術期刊《科學》（Science）上。
有機太陽能電池的柔性特征和本工作主要結果
有機太陽能電池產業前景可期
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有機太陽能電池是解決環境污染、能源危機的有效途徑之一，其在質輕、柔軟、半透明、可大面積低成本印刷、環境友好等方面都遠遠優于傳統太陽能電池，被認為是具有重大產業前景的新一代綠色能源技術。然而，實現高效率的太陽能電能轉化是有機太陽能電池研究的核心難題。而這一難題能否解決也直接決定著有機太陽能電池能否走出實驗室、走進人類的實際生產生活。
提高光電轉化效率瓶頸何在？
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有機光伏器件由于其良好的溶液加工性，可制備柔性器件，透明度和顏色可調等獨特優勢受到領域內研究人員的廣泛關注。其中，基于全聚合物的太陽能電池 (all-polymer solar cells) 由于其自身良好的力學性能和優異的器件穩定性，被認為是更有可能實現未來應用的光伏器件。然而，目前報道的高效率全聚合物太陽能電池 (PCE
基于全窄帶隙(ALL-NBG)半導體的半透明有機太陽能電池(ST-OSC)在建筑集成方面具有很大的吸引力。 不幸的是，先進的NBG Y系列受體與NBG供體不能很好地匹配，這是由于它們的能級不匹配和兼容性差。 來自南昌大學、江西師范大學等單位的學者采用一種簡單的三元共聚物設計策略來提高Y6與高效的NBG聚合物給體PCE10的匹配性。將氟或氯原子功能化的苯并二噻吩(BDT)引入到PCE10基體中，得到
近5年來，在有機吸光材料，特別是窄禁帶受體的快速發展的推動下，有機太陽能電池(OSCs)取得了前所未有的發展。通過對受體分子結構的精確調整，有機太陽能電池的短路電流密度(JSC)超過26 mA cm-2，fill因子超過80%。目前，由于較高的電壓損耗(Vloss)，有機太陽能電池(OSCs)的開路電壓(VOC)較低。提高窄禁帶受主的光致發光量子產率對于抑制有機太陽能電池中的非輻射電壓損失(ΔVn
近年來，有機太陽能電池(OSC)以其柔性、輕質、半透明和溶液可加工性等優點引起了人們的廣泛關注，其器件性能也取得了突飛猛進的進步，這主要得益于有源層材料，特別是非富勒烯受體(NFA)分子設計方面的創新，它可以有效地調節光電性能和分子堆積。然而，能量損耗大是制約有機太陽能電池(OSCs)功率轉換效率(PCE)的主要因素之一。 為此，來自浙江大學和武漢大學的學者對著名的Y系列非富勒烯受體BTP-4Cl
近年來，由于非富勒烯稠環電子受體Y6及其衍生物的成功開發，使有機太陽能電池（OSCs）的能量轉換效率（PCE）得到不斷突破，目前單節有機太陽能電池的PCE已超過18%。盡管如此，基于Y6類的非富勒烯受體因其獨特的3D網絡分子堆積方式，在實現更加高效的電荷傳輸的同時，也會帶來分子過度聚集的不利影響。Y6類受體分子的過度聚集通常會造成活性層相分離過大
與無機半導體和鈣鈦礦材料相比，有機半導體具有不連續的吸收特性，這使得它們在制備半透明器件方面具有獨特的優勢。基于有機半導體材料的半透明有機太陽能電池可用于外窗玻璃、建筑立面等建筑表面，實現多樣化的能量轉換途徑。通常，半透明有機太陽能電池實際應用的臨界平均可見光透射率應大于25%，但由于光吸收和透射率之間的權衡，而高的平均可見光透射率總是會導致能量轉換效率的顯著下降
江西師范大學陳義旺教授、廖勛凡教授團隊報導了一種有效的器件制備策略，通過調節材料的溶解度和結晶性，使用綠色正交溶劑實現了高效平面異質結器件的成功制備，該結構可以最大程度地減少材料相容性以及制備過程對底層沖刷的影響，具有清晰的D/A接觸界面，并且兩層的獨立處理可提供最佳的自聚集形態，更有效的電荷傳輸通道以及良好的給受體包裝狀態
化石能源的加速消耗、能源需求的不斷增長以及環境污染的日趨嚴重正在迫使人們去探索和使用清潔的可再生能源。在眾多的可再生能源中，太陽能由于取之不盡、分布廣泛且清潔無污染等優點而廣受關注。在太陽能的利用中，通過半導體材料的光生伏打效應將光能直接轉換成電能的太陽能電池是太陽能利用的重要形式。其中，第三代太陽能電池技術，特別是有機太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池
鉀離子電池(PIB)因其廉價的鉀元素資源和良好的電化學性能而受到越來越多的關注。目前，開發理想的陽極材料仍然存在挑戰。二維金屬硫化物作為PIBs的宿主具有很高的比容量，但不穩定的反應中間體KxSy(K2S，K2S5)的溶解和團聚會導致有效成分的大量損失和反應的可逆性差，導致電池壽命較短。 來自中南大學等單位的研究人員將極性聚硫醚VS4引入SnS納米片，構建了固定在石墨烯支架(VS4/SnS@C)上
輕薄柔有機太陽能電池（OSCs）一直是新一代電源最有前途的選擇之一，特別是對于可穿戴電子系統（如電子紡織品和合成皮膚）。有機光伏材料的高消光系數和良好的延展性容許電池變得非常薄（通常低于300nm），并且與超薄塑料襯底具有良好兼容性，這引起了科研人員的極大關注。目前，新材料和新工藝的不斷涌現，使得剛性OSCs的能量轉換效率
