異質結有機太陽能電池的案例
基于石墨炔體異質結且濕穩性高的高效鈣鈦礦太陽能電池
【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 Mater》：全綠色溶劑處理的高效平面異質結有機太陽能電池
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 Res.綜述：側鏈懸掛芳香酰亞胺的雙纜共軛高分子用于單組分有機太陽能電池
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 ：準平面異質結助力揭示有機太陽電池形貌演變
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 
Science：南開大學有機太陽能電池效率破紀錄！
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
▲▲▲
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？
展開 中南《AFM》：一種精心設計的層狀異質結用于超長壽命鉀離子電池
SNS@C和VS4/SNS@C復合長期循環示意圖
綜上所述，為了追求更高的結構穩定性，本文精心設計并成功構建了一種層次化的二維層狀VS4/SnS@C異質結。極性VS4的合理引入可以提供巨大的不飽和S22-，在保持Sn0/KxSy界面的情況下分別吸附KxSy中間體，大大提高了轉化反應的可逆性，進一步保證了良好的反應動力學。更重要的是，獨特的二維層狀VS4/SnS@C異質結構不僅可以有效地釋放累積的機械應力，減少粉化，而且可以抑制Sn的團聚，縮短反應中間體的長擴散，從而促進K+擴散，加速電荷轉移。因此，這種異質結構設計策略為解決硫化物基負極材料的可逆性問題鋪平了道路，在優異的儲鉀性能方面顯示出巨大的潛力。 （文：SSC）
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。歡迎轉載請聯系，未經許可謝絕轉載至其他網站。
展開 《AFM》：具有優異單位重量功率性能的超柔性有機太陽能電池！
有機光伏材料的高吸收系數和良好的延展性使電池非常薄(通常低于1um)，并顯示出與超薄聚合物箔基板的良好兼容性，這引起了極大的關注。
來自中科院寧波材料所的研究人員，在這里報道了超薄和超輕的有機太陽能電池（OSC），總厚度小于3um，在柔韌性和拉伸能力方面具有優異的機械性能。該OSC實現了15.5%的穩定功率轉換效率(PCE)和前所未有的32.07 W/g的單位重量功率(重量為4.83g·m-2)，這是迄今為止報道的基于超薄箔襯底的性能最好的OSC之一。三元策略引入了PC71BM分子非晶態構象的第三組分，可以在不降低電子遷移率的情況下，略微減少結晶和聚集，從而降低活性層的剛性和脆性。活性層延展性的增加顯著提高了器件的機械靈活性，在200次拉伸-壓縮循環后，PCE保持率超過90%。此外，該三元器件在充滿N2的手套箱中儲存時表現出優異的穩定性，使得PCE即使在1000小時后仍保持超過95%的初始效率。這種超柔性和超輕質光伏箔構成了將電源集成到可延展電子紡織品的重要一步。相關論文發表在Advanced Functional Materials。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202102694
圖1.（a）超薄柔性OSC的器件結構。(b)包裹在直徑為0.12毫米的銅線上的超柔性器件的照片
圖2.(a)JSC和Voc對光強的依賴性。b)二元和優化的基于PC71BM的三元器件的Jph–Ve?曲線。
圖3.a)二元和三元混合膜的形態演變示意圖。
圖4.a)附著在預拉伸彈性體上的可拉伸超薄OSC的示意圖。
展開 蘇州大學在半透明有機太陽能電池領域取得新突破
最終，半透明有機太陽能電池的顯色指數接近100、平均透過率超過20%，且光電轉換效率達到了9.37%。更為重要的是，該種策略具有很好的普適性，不但適用于不同的活性層體系，還適用于制備大面積、柔性半透明器件。
圖1(a) 半透明有機太陽能電池的器件結構和材料分子結構；(b)不同光活性層材料的吸收光譜；(c)不同共混膜的透過光譜；(d)半透明有機太陽能電池的透過光譜; (e)不同半透明有機太陽能電池在模擬光源AM 1.5G下的色坐標; (f)透過不同半透明有機太陽能電池拍攝的數碼照片。
從圖1可以看出，相比于兩元體系，三元體系具有更好的光吸收互補特性，有效抑制了在600-780 nm波長范圍內透過光的波動性，且三元體系的共混膜展現出更好的顯色性。進一步通過引入介質鏡精確反射380-600 nm范圍透過的光，可降低該區域的透過率，從而獲得較為水平（均一）的透過光譜?；谌w系和介質鏡協同效應下制備的半透明有機太陽能電池具有很好的顯色性，顯色指數接近100，其色坐標接近模擬標準光源AM 1.5G。透過該半透明電池拍攝不同的畫面能夠很好保留原有的色彩。
圖2(a) 采用刮涂法制備的三元半透明有機太陽能電池以及模擬其替代玻璃應用在窗戶上；(b) 10 cm×10 cm的半透明有機太陽能電池其不同位置上的透過光譜（圖片上位置的顏色與透過曲線顏色一致）； (c)不同區域的9個半透明有機太陽能電池的效率統計圖。
為了進一步推動半透明有機太陽能電池走向實際應用，研究人員探索了該策略在大面積刮涂法中的適用性。如圖2所示，采用刮涂法制備的大面積半透明有機太陽能電池同樣具有優異的顯色性，通過測試和統計不同區域的透過光譜和器件效率發現，大面積電池表現出了很好的均一性和重復性，為在光伏窗戶上的應用提供了可能。他們還拓展了半透明有機太陽能電池在柔性電池中的應用。
展開 蘇州大學柔性有機太陽能電池
蘇州大學李永舫院士團隊的李耀文教授等人利用銀納米線對導電聚合物的組分進行調控，并與銀網格柔性基底復合制備了低面電阻、高透過率的新型柔性復合電極，基于此電極的柔性有機太陽能電池效率超過12%。近日，該成果以“Breaking 12% efficiency in flexible organic solar cells by using a composite electrode”為題，在線發表于Science China Chemistry。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1007/s11426-018-9430-8
有機太陽能電池(OSCs)活性層材料的可彎曲特性使其在柔性太陽能電池領域展現出了巨大的應用潛力。然而，商業化的銦錫氧化物（ITO）柔性電極由于易脆性、面電阻高、透過率低等缺點限制了其在柔性有機太陽能電池中的應用。為了解決這一問題，發展具有優良機械彎曲性、低面電阻、高透過率的新型柔性透明電極顯得尤為重要。
基于銀納米線（AgNWs）的導電薄膜不僅具有優良的機械性能，而且其光學和電學性能優異，成為極具應用前景的柔性透明電極材料。但是，粗糙度大、附著力弱，形貌不穩定等缺點依然限制了其在高性能柔性有機太陽能電池中的應用。
展開 華南理工《AFM》：實現18.7%效率的串聯有機太陽能電池！
然而，串聯有機太陽能電池(TOSCs)中的最大光電流通常是通過增加次電池的厚度來獲得的，這會導致這種器件的復合增強，從而影響其功率轉換效率(PCE)。
來自華南理工大學等單位的科研人員開發了一種高效的互連層(ICL)，其結構為ZnO納米粒子：PEI/PEI/PEDOT：PSS，其使得TOSCs具有很好的重復性。研究發現，通過增加有源層中非富勒烯受體的比例，可以減小這類TOSCs的最佳前子單元厚度。本工作中使用的非富勒烯受體的吸收系數遠大于前次電池中的給體吸收系數，當受體比例增加時，給體的吸收減少可以與受體的吸收減少很好地互補，從而導致即使薄膜較薄也能顯著提高整體吸收。另一方面，非富勒烯受體在前次電池中的吸收系數遠大于施主的吸收系數，當受體的比例增加時，施主的吸收減少可以得到很好的補償，從而即使薄膜較薄也能顯著地提高整體吸收。結果表面，該效應減小了前次電池的最佳厚度，并抑制了其電荷復合。相關論文發表在Advanced Functional Materials。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202103283
總的來說，在這項工作中，構建了一種高效的非富勒烯TOSC，其中ICL由ZnO納米粒子：PEI/PEI/PEDOT：PSS組成。該ICL具有良好的互連性能，使TOSCs具有很好的重復性。通過增加前次電池中非富勒烯受體TfIF-4Cl的比例，可以使TOSCs獲得最大光電流的最佳前次電池厚度減小到一個較低的值。該策略在不顯著增加前次電池厚度的情況下提高了前次電池的光子利用率，從而有效地抑制了有源層厚度增加時前次電池中發生的電荷復合。
展開 華南理工：有機太陽能電池中界面偶極作用機理的深入研究！
有趣的是，當FPyBr吸附在ITO表面時，由于分子本身的偶極和電荷轉移形成的吸附偶極相反，ITO的功函數并沒有明顯降低，意味著FPyBr可能不適合應用于倒裝有機太陽能電池。其作用機理示意圖見圖4。值得一提的是，分子模擬的結果和實驗結果具有良好的一致性，這種界面行為研究方法對于界面修飾材料作用機理研究和新材料的研發與應用有重要參考意義。
圖1、XPS表征結果
圖2、PFN的界面偶極作用機理
圖3、FPyBr在Ag表面的最穩定結構
圖4、含陰離子界面材料FPyBr的作用機理
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。歡迎轉載請聯系，未經許可謝絕轉載至其他網站。
推薦閱讀：
17.7％！迄今這種有機太陽能電池最高值
實用！Origin軟件使用經典問題集錦
免費下載：18款超實用軟件輕松搞科研
合作 投稿 點擊此處
歡迎留言，分享觀點。點亮在看??
展開 
實現這種有機太陽能電池創紀錄性能
基于全窄帶隙(ALL-NBG)半導體的半透明有機太陽能電池
有機太陽能電池中最高數值之一
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-BO進行了化學修飾，合成了兩種新的非富勒烯受體：BTP-T2Cl和BTP-T-3Cl。TPC-Cl通過3-(二氰亞甲基)吲哚(IC)與氯化噻吩環的融合，擴展了TPC-Cl的π-共軛作用，合成了兩種新型的非富勒烯受體：BTP-T2Cl和BTP-T-3Cl。對于含有兩個TPC-Cl基團的BTP-T-2Cl，由于其0.0606%的高電致發光量子效率顯著降低了非輻射損耗(0.191 eV)，因此其能量損失非常低，僅為14.89%。
對于含有一個TPC-Cl基團的BTP-T-3Cl，相應的器件表現出17.61%的較高的PCE，并伴有較大的0.51 eV的能量損失，這可以歸因于優化的形貌和/或有效的電荷產生。
展開 一種高效有機太陽能電池
，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。
Joule：高效有機非富勒烯聚合物太陽能電池器件壽命接近10年
【引言】
基于非富勒烯受體的有機太陽能電池近年來發展迅速。與富勒烯及其衍生物相比，非富勒烯受體具有更易調節的物理化學性質，更有效的光譜利用，以及更小的能量損耗等優勢。ITIC及其多種衍生物（圖一）作為非富勒烯受體材料近年來受到廣泛關注。通過分子結構調控ITIC能級來提高電池能量轉換效率是近年來的研究熱點。協同調節受體和給體的能級已經成功將電池能量轉換效率提高到13%以上。
對于有機太陽能電池的大規模工業化生產和應用，必須綜合考慮能量轉換效率、器件穩定性以及合成難度。因此，在研究分子能級調控對其能量轉換效率影響的同時，也應該關注其對穩定性和合成成本的影響。最近，德國埃爾蘭根-紐倫堡大學Christoph J. Brabec教授的研究團隊從能量轉換效率、器件穩定性和合成復雜度三個方面研究了ITIC及其系列衍生物的工業化可行性，以及分子調控對電池壽命的影響。研究表明，ITIC端基和側鏈修飾對器件穩定性有極大影響，該系列材料中的穩定體系有望達到接近10年的器件使用壽命。最后，作者通過分析工業化指標，指出降低合成成本對于該系列材料的工業化應用前景至關重要，該工作發表在Joule上。文章第一作者為杜曉艷博士，通訊作者為李寧博士和Christoph J. Brabec教授。
圖1. 給體和受體材料的分子結構
【圖文導讀】
該工作中的太陽能電池由程序控制自動進行穩定性測試。測試條件為干燥氮氣氛圍（氧氣和水含量均小于0.5ppm）使用白光LED燈照射，期間溫度控制在30°C。結果顯示（圖二），ITIC分子結構調控對電池穩定性影響極大。
展開 