染料敏化太陽電池的案例
浙大首次研制出轉(zhuǎn)化率10%的敏化太陽能電池！
中國作為全球最大的太陽能電池生產(chǎn)國和需求國，正在發(fā)揮越來越重要的作用。
染料敏化太陽電池屬于下一代光伏技術(shù)，作為色彩絢麗的透明電板在產(chǎn)業(yè)化方面已嶄露頭角。去除電解質(zhì)中的揮發(fā)性組分并保證高效率和耐久性是獲得戶外器件長期應(yīng)用的先決條件。
近日，浙江大學(xué)化學(xué)系王鵬教授課題組與瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院Michael Gr?tzel教授課題組合作，在光熱穩(wěn)定的染料敏化太陽能電池研究方面取得了重要進(jìn)展。中外科學(xué)家基于理論計算和他們前期開發(fā)的模型染料C218，將氰基丙烯酸電子受體用三元苯并噻二唑-乙炔-苯甲酸替代，合成出具有更寬光譜響應(yīng)的窄能隙有機(jī)染料C268，與寬能隙的染料SC4在二氧化鈦表面共接枝，首次研制出強(qiáng)耐久且能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)10%的無揮發(fā)染料敏化太陽能電池。
這一成果以封面論文形式發(fā)表于細(xì)胞出版社新創(chuàng)立的能源領(lǐng)域旗艦期刊《焦耳》（Joule）上，并已經(jīng)投入生產(chǎn)使用。
Joule當(dāng)期封面，內(nèi)容為奧地利格拉茨的科技大廈
新一代能源，模擬光合作用
自然界中植物的光合作用，是地球上最為有效的固定太陽光能的過程，染料敏化太陽電池就是模仿光合作用原理，研制出來的一種新型太陽電池。其由低成本的納米多孔半導(dǎo)體薄膜、染料敏化劑、氧化還原電解質(zhì)、對電極和導(dǎo)電基底幾個關(guān)鍵元件組成。
如果知道樹葉的結(jié)構(gòu)，你會很好地理解染料敏化太陽電池。從結(jié)構(gòu)上來看，染料敏化太陽電池就像人工制作的樹葉，只是植物中的葉綠素被敏化劑所代替、而納米多孔半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)則取代了樹葉中的磷酸類酯膜。
染料敏化太陽電池結(jié)構(gòu)
無揮發(fā)性
目前高效的染料敏化電池的電解液都采用乙腈作為溶劑，這種溶劑沸點僅有81.6攝氏度，就像香水一樣，極易揮發(fā)，嚴(yán)重影響太陽電池的使用壽命。
展開 《Joule》封面：模擬光合作用，浙大首次研制出轉(zhuǎn)化率達(dá)10%的敏化太陽能電池
中國作為全球最大的太陽能電池生產(chǎn)國和需求國，正在發(fā)揮越來越重要的作用。
染料敏化太陽電池屬于下一代光伏技術(shù)，作為色彩絢麗的透明電板在產(chǎn)業(yè)化方面已嶄露頭角。去除電解質(zhì)中的揮發(fā)性組分并保證高效率和耐久性是獲得戶外器件長期應(yīng)用的先決條件。
近日，浙江大學(xué)化學(xué)系王鵬教授課題組與瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院Michael Gr?tzel教授課題組合作，在光熱穩(wěn)定的染料敏化太陽能電池研究方面取得了重要進(jìn)展。中外科學(xué)家基于理論計算和他們前期開發(fā)的模型染料C218，將氰基丙烯酸電子受體用三元苯并噻二唑-乙炔-苯甲酸替代，合成出具有更寬光譜響應(yīng)的窄能隙有機(jī)染料C268，與寬能隙的染料SC4在二氧化鈦表面共接枝，首次研制出強(qiáng)耐久且能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)10%的無揮發(fā)染料敏化太陽能電池。
這一成果以封面論文形式發(fā)表于細(xì)胞出版社新創(chuàng)立的能源領(lǐng)域旗艦期刊《焦耳》（Joule）上，并已經(jīng)投入生產(chǎn)使用。
Joule當(dāng)期封面，內(nèi)容為奧地利格拉茨的科技大廈
新一代能源
模擬光合作用
自然界中植物的光合作用，是地球上最為有效的固定太陽光能的過程，染料敏化太陽電池就是模仿光合作用原理，研制出來的一種新型太陽電池。其由低成本的納米多孔半導(dǎo)體薄膜、染料敏化劑、氧化還原電解質(zhì)、對電極和導(dǎo)電基底幾個關(guān)鍵元件組成（見圖2）。
如果知道樹葉的結(jié)構(gòu)，你會很好地理解染料敏化太陽電池。從結(jié)構(gòu)上來看，染料敏化太陽電池就像人工制作的樹葉，只是植物中的葉綠素被敏化劑所代替、而納米多孔半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)則取代了樹葉中的磷酸類酯膜。
染料敏化太陽電池結(jié)構(gòu)
無揮發(fā)性
目前高效的染料敏化電池的電解液都采用乙腈作為溶劑，這種溶劑沸點僅有81.6攝氏度，就像香水一樣，極易揮發(fā)，嚴(yán)重影響太陽電池的使用壽命。
王鵬等人使用室溫熔鹽作為電解質(zhì)，也就是在室溫下，完全由離子組成的液體導(dǎo)電材料。
展開 多金屬氧酸鹽(POMs)在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用
(a)POM和TiO2的能級圖;
(b)在AM1.5模擬光下(實線、虛線)POMs敏化(紅線)和空白TiO2(黑線)太陽能電池的電流-電壓曲線。
圖17. POMs作為共敏化劑原理與性能示意圖。
(a)POMs作為共敏化劑示意圖；
(b)POMs和TiO2的能級示意圖;
(c)GeW9-Mn-SnR敏化太陽能電池的電流-電壓曲線;
(d)單獨N719(黑線)和GeW9-Mn-SnR/N719(紅線)敏化DSSCs的電流-電壓曲線(虛線為暗電流)。
圖18. 雜多藍(lán)薄膜制備示意圖以及光響應(yīng)性能測試。
(a)FTO上的薄膜結(jié)構(gòu)和真空熱蒸發(fā)固態(tài)還原POMs的示意圖;
(b)在可見光(λ>420nm)下TiO2/PW12-Al(HPB)薄膜的時間分辨光響應(yīng);
(c)在各種功率光強(qiáng)度下{TiO2}5/{PW12}6-Al(HPB)薄膜的光電流密度;
(d)該電極中電子轉(zhuǎn)移示意圖。
圖19. POMs基光敏劑的理論計算：POMs共軛Zn(II)-卟啉染料。
(a)染料1-6的結(jié)構(gòu);
(b)染料2-6的電子密度差異圖。
圖20. DSSC的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖21. POMs在DSSCs電解質(zhì)材料中的應(yīng)用。
(a)基于POM1-Cu-phen，POM2-Cu-phen和Cu-phen氧化還原對電解質(zhì)的DSSCs的光電流密度-電壓曲線;
(b)具有POM1/POM2-Cuphen氧化還原對的電解質(zhì)的DSSCs內(nèi)部工作原理示意圖。
展開 全小分子非富勒烯有機(jī)太陽電池效率超過10%
n-OS小分子受體材料具有各向異性的共軛骨架的特點，因而優(yōu)化p-OS的分子結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)全小分子活性層的形貌以形成良好的給體-受體納米尺度相分離的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是提高全小分子有機(jī)太陽電池光伏性能的重要手段。他們以BDT為中心給體單元、將寡聚噻吩結(jié)構(gòu)引入p-OS分子結(jié)構(gòu)中，合成了兩個p-OS分子SM1和SM2（分子結(jié)構(gòu)見圖1）。基于SM1:IDIC的全小分子有機(jī)太陽電池的效率達(dá)到10.11%（Chem Mater. 2017,29,7543–7553.），這是全小分子非富勒烯有機(jī)太陽電池效率首次突破10%。
在基于噻吩取代BDT的二維共軛聚合物中，硅烷基側(cè)鏈可以有效地降低聚合物的HOMO能級，增強(qiáng)吸收和提高空穴遷移率。為了進(jìn)一步提升全小分子有機(jī)太陽電池的光伏性能，他們最近又將硅烷基噻吩為側(cè)鏈的二維BDT單元引入到p-OS小分子給體材料中，合成了兩個新的p-OS小分子給體光伏材料H21和H22（分子結(jié)構(gòu)見圖1），并研究了不同末端受體單元對材料物理化學(xué)性質(zhì)及其光伏性能的影響。基于H22：IDIC的全小分子有機(jī)太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提升到10.29%。這一結(jié)果最近發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Adv.Mater.,2018,30, 1706361.）上。
展開 
華南理工大學(xué)黃飛/張凱等AFM：在疊層有機(jī)太陽電池方面取得新進(jìn)展
由于具有質(zhì)輕、柔性、低成本以及適用于卷對卷大面積印刷加工等一系列優(yōu)勢，有機(jī)太陽電池在便攜式供電設(shè)備方面具備很大的應(yīng)用潛力。但相對于其他基于無機(jī)材料的太陽電池，有機(jī)太陽電池的能量轉(zhuǎn)換效率還較低，其重要限制因素之一是存在較大的能量損失。為了降低其能量損失，大量研究集中在新材料的設(shè)計開發(fā)以及相應(yīng)物理機(jī)制的探索上。而另一方面，構(gòu)建串聯(lián)疊層器件是減少能量損失從而提高光電轉(zhuǎn)化效率的一種有效策略。串聯(lián)結(jié)構(gòu)可以同時減少器件的熱能化損失和透射損失：高能光子可以通過前層電池中寬帶隙材料的吸收而降低熱能化損失，低能光子可以被后層電池中的窄帶隙材料吸收而降低透射損耗，從而高能光子和低能光子在疊層電池中都可以得到有效利用。
為了在疊層器件中獲得高的光電轉(zhuǎn)化效率，最重要的考量因素之一是選擇具有互補(bǔ)吸收的前層子電池和后層子電池，最大程度減少光譜重疊并擴(kuò)展太陽光譜吸收，從而獲得高光電流。而對于給定的前層子電池和后層子電池組合，絕大多數(shù)研究工作采取的策略是在單結(jié)器件最佳給受體比例的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)前后層子電池的厚度，從而達(dá)到電流平衡以獲得最優(yōu)的疊層器件。但是通常來說，疊層器件中前層子電池或后層子電池的最佳厚度往往與單結(jié)器件中的最佳厚度差異較大。在大多數(shù)情況下，為了確保足夠的光子吸收從而與另一子電池達(dá)到電流平衡，疊層器件中子電池的最優(yōu)厚度相對于單結(jié)器件的最優(yōu)厚度往往會大大增加。然而，由于有機(jī)半導(dǎo)體本身較低的載流子遷移率，當(dāng)增加子電池的厚度時，通常會導(dǎo)致其內(nèi)部電荷復(fù)合加劇，從而影響整個疊層器件性能。
近日，華南理工大學(xué)黃飛教授團(tuán)隊提出通過增加前層子電池中具有更高吸收系數(shù)的非富勒烯受體的比例，可以在相對較低活性層厚度情況下達(dá)到和后層子電池之間光電流的平衡。
展開 近紅外吸光聚合物太陽電池領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
聚合物太陽電池近年取得了不斷突破，很大程度得益于新型有機(jī)半導(dǎo)體分子和聚合物的快速發(fā)展。有機(jī)分子和聚合物通過結(jié)構(gòu)裁剪可大范圍調(diào)制其光、電和薄膜性質(zhì)，從而實現(xiàn)區(qū)別于傳統(tǒng)無機(jī)太陽電池的多功能性的太陽電池器件，例如可見區(qū)透過，近紅外區(qū)高光譜響應(yīng)度的半透明器件和全光譜吸收的疊層器件等。其中，發(fā)展新型近紅外吸光的有機(jī)半導(dǎo)體材料（帶隙Eg< 1.4 eV）成為領(lǐng)域關(guān)注熱點。
浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系的有機(jī)半導(dǎo)體實驗室已發(fā)展一系列基于非稠合或稠合骨架的近紅外電子受體分子。最近，該實驗室的李昌治研究員和陳紅征教授等設(shè)計發(fā)展了一類近紅外電子受體分子，通過非對稱橋連基團(tuán)的區(qū)域異構(gòu)化和調(diào)控氟原子取代數(shù)目，改善分子共軛結(jié)構(gòu)和軌道能級，獲得了性能優(yōu)異的近紅外電子受體分子并成功建構(gòu)響應(yīng)波長可達(dá)1000 nm光譜的高效率聚合物太陽電池。通過進(jìn)一步與吸光帶邊800 nm的前電池搭配，制備得到高效率聚合物疊層太陽電池。研究成果以“Near-Infrared Electron Acceptors with Fluorinated Regioisomeric Backbone for Highly Efficient Polymer Solar Cells”（具有氟化骨架異構(gòu)的近紅外電子受體實現(xiàn)高效聚合物太陽電池）為題，發(fā)表在Advanced Materials（《先進(jìn)材料》）上。
圖. 近紅外吸光電子受體分子設(shè)計與合成、吸光和熒光譜圖、疊層太陽能電池器件結(jié)構(gòu)、能級和光伏特性曲線
這一成果從分子骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計入手，通過探索理解其分子結(jié)構(gòu)-薄膜特性-器件性能之間的構(gòu)效關(guān)系，為發(fā)展近紅外電子受體分子和近紅外區(qū)高光譜響應(yīng)度的聚合物太陽電池提供了新方法和新途徑。工作得到了華南理工大學(xué)葉軒立教授和香港中文大學(xué)路新慧教授在光學(xué)模擬和薄膜形貌測試方面的支持。
展開 曹鏞院士團(tuán)隊在《Nature Energy》發(fā)表聚合物太陽電池研究成果
近日，華南理工大學(xué)曹鏞院士團(tuán)隊通過化學(xué)結(jié)構(gòu)微調(diào)控設(shè)計聚合物光伏材料，實現(xiàn)1 cm2聚合物太陽電池的認(rèn)證光伏效率超過12%，相關(guān)成果以“Fine-tuning of thechemical structure of photoactive materials for highly efficient organicphotovoltaics”為題，發(fā)表于國際著名期刊《Nature Energy》。論文第一作者為樊寶兵博士，通訊作者為黃飛教授、應(yīng)磊研究員，以及愛爾蘭根-紐倫堡大學(xué)李寧博士，華南理工大學(xué)為論文第一單位。
光伏技術(shù)可將清潔、可再生太陽能轉(zhuǎn)換為人類可以直接利用的電能。聚合物太陽電池具有制備成本低、光電特性易調(diào)節(jié)、可實現(xiàn)半透明以及可制成大面積柔性器件等優(yōu)點，具有巨大的商業(yè)價值和應(yīng)用前景。通常，高效聚合物太陽電池僅能在很小的有效輻照面積（< 0.05 cm2）時才能實現(xiàn)。該研究從聚合物給體材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)微調(diào)控著手，發(fā)展了一系列新型電子給體，通過研究其光學(xué)、電學(xué)、以及聚集特性的差異與規(guī)律，獲得的最佳材料組合在1 cm2器件中獲得12.25%光電轉(zhuǎn)換效率，并具有極優(yōu)異的穩(wěn)定性，展現(xiàn)出廣闊的市場應(yīng)用前景。
展開 高品質(zhì)大面積錫基鈣鈦礦薄膜及太陽電池抽氣制備技術(shù)
【引言】
近幾年，鈣鈦礦太陽電池的光電轉(zhuǎn)化效率屢創(chuàng)新高，在LED、光電探測器等領(lǐng)域也大放異彩，儼然成為一種“萬能材料”。然而，鉛的毒性問題始終是籠罩在電池產(chǎn)業(yè)化道路上的一片烏云。為了解決鉛毒問題，人們開始探索非鉛新材料，其中，錫是理論上和實驗上最有潛力成為高效無鉛太陽電池的重要元素。而最基本也是最重要前提是獲得高致密、無針孔的錫基鈣鈦礦薄膜。迄今，取得較好效率的薄膜大多出于反溶劑法，需要使用高毒性溶劑（如氯苯等），正所謂“按下葫蘆浮起瓢”。發(fā)展綠色工藝、利用綠色原料、制備高品質(zhì)大面積（>20 cm2）錫基鈣鈦礦薄膜，是基礎(chǔ)研究的難點，更是工業(yè)化技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。
【成果簡介】
近期，西安交通大學(xué)材料學(xué)院（材料國家重點實驗室）楊冠軍教授課題組在美國化學(xué)會旗下的國際知名期刊ACS Applied Materials & Interface上發(fā)表題為“Green Solution-Processed Tin-BasedPerovskite Films for Lead-Free Planar Photovoltaic Devices”的研究論文。論文第一作者為西安交通大學(xué)材料學(xué)院2017級博士研究生李小磊。利用課題組自主發(fā)展的液膜抽氣技術(shù)實現(xiàn)了高致密、無針孔錫基鈣鈦礦薄膜的制備，首次獲得了大面積（>20 cm2）錫基鈣鈦礦薄膜，摒棄高毒反溶劑、膜層材料無鉛、制備工藝高效環(huán)保，為未來錫基鈣鈦礦太陽電池的大面積制備和工業(yè)化應(yīng)用提供了切實可行的技術(shù)路徑。最后，將抽氣處理的錫基鈣鈦礦薄膜應(yīng)用在正向平面鈣鈦礦太陽電池中，實現(xiàn)了1.85%的轉(zhuǎn)換效率，這是c-TiO2/Sn-Perovskite/HTM/Au結(jié)構(gòu)中目前報道的最高效率。
展開 武漢大學(xué)閔杰研究員課題組《Joule》：全聚合物和單組份太陽電池研究取得新進(jìn)展
全聚合物太陽電池（All-PSCs）是由P-型聚合物作為電子給體材料和N-型聚合物作為電子受體材料制備的新型有機(jī)太陽電池。相比較于非富勒烯小分子電池，All-PSCs通常表現(xiàn)出優(yōu)異的光熱穩(wěn)定性和機(jī)械性能。因此，發(fā)展高效且穩(wěn)定的All-PSCs具有重要的科學(xué)意義和商業(yè)價值。然而，All-PSCs的能量轉(zhuǎn)化效率（PCE）一直落后于非富勒烯小分子電池，發(fā)展窄帶隙的N-型聚合物是減少All-PSCs與其他類型有機(jī)太陽電池性能差距的有效策略。近年來對聚合物電子受體材料的探索，特別是小分子受體聚合物化策略的提出，使得All-PSCs在有機(jī)太陽電池領(lǐng)域得到復(fù)興并極大地提升了其光電性能。
閔杰研究員課題組
率先將Y系列稠環(huán)小分子受體聚合物化，合成了聚合物受體PYT，該聚合物受體不僅具有高吸光系數(shù)
1.0×10
5
cm
-1
，而且其光學(xué)帶隙僅為1.40 eV。通過引入聚合物PM6作為給體材料，并微調(diào)PYT的分子量來精細(xì)優(yōu)化活性層形貌，從而獲得了超過13.43%的PCE；另外，相較于對應(yīng)的Y系列小分子體系，其穩(wěn)定性也獲得了明顯的提升
（Joule2020,4, 1070-1086;Sci. China Chem.2020,63, 1449-1460）。為了進(jìn)一步提升All-PSCs的效率和穩(wěn)定性，課題組通過分子設(shè)計、形貌調(diào)控、三元共混等策略出發(fā)，制備出了性能更加優(yōu)異的全聚合物光伏體系（如圖1所示）。
圖1 課題組與合作者開發(fā)的新型聚合物受體材料及其研究成果示意圖
在材料設(shè)計方面，課題組在PYT結(jié)構(gòu)中引入酯基取代的噻吩單元，通過該單元的聚合比例來調(diào)控材料聚集行為，獲得了13.60%的PCE（Sol.
展開 Commun.報道9.2%效率Sb2Se3太陽電池
制備完成的太陽電池獲得了較高的填充因子（70.3%）和短路電流密度（32.58 mA/cm2），以及9.2%的全面積（0.26 cm2）光電轉(zhuǎn)換效率。此外，將該納米棒陣列結(jié)構(gòu)的Sb2Se3太陽電池存放于空氣中，500個小時內(nèi)仍能保證97%的初始光電轉(zhuǎn)換效率，顯示了良好的穩(wěn)定性。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1 Sb
2Se
3納米棒陣列的結(jié)構(gòu)表征：
a 表面形貌圖，b 截面形貌圖，c XRD圖，d 截面TEM圖，e 表面HRTEM圖，f SAED圖
圖2 Sb
2Se
3由薄膜向納米棒陣列的演變：
不同沉積時間的Sb2Se3表面形貌圖，a 60s, b 120s, c 160s, d 180s 及截面形貌圖e 60s, f 120s, g 160s, h 180s
圖3 CdS/Sb
2Se
3異質(zhì)結(jié)界面特性：
a 表面形貌圖， b 截面形貌圖，c d 截面TEM圖，e HAADF-STEM及EDS圖
圖4 Sb
2Se
3納米棒陣列太陽電池的結(jié)構(gòu)及電學(xué)特性：
a 納米棒陣列及器件的原理圖，b 截面形貌圖，c 表面形貌圖，d 最優(yōu)器件J-V曲線，e EQE光譜，f 100個太陽電池的效率分布直方圖，g 沉積及沒有沉積氧化鈦的器件的VOC衰減曲線
該工作得到了國家自然科學(xué)基金（61804040）、人社部留學(xué)回國人員科技活動擇優(yōu)資助項目（CG2015003004）、河北省自然科學(xué)基金（E2016201028）以及河北大學(xué)高層次人才引進(jìn)啟動經(jīng)費（801260201001）等項目的支持。
展開 華南理工曹鏞團(tuán)隊Nature Energy：化學(xué)結(jié)構(gòu)微調(diào)控實現(xiàn)1 cm2高效有機(jī)太陽電池
【引言】
有機(jī)太陽電池制備成本低、光/電特性易調(diào)節(jié)、可實現(xiàn)半透明以及可制成大面積柔性器件，具有巨大的商業(yè)開發(fā)價值和應(yīng)用前景。然而，受限于有機(jī)混合薄膜的形貌均一性，目前高效的OPV器件只能在很小的有效輻照面積（< 0.05 cm2）時才能實現(xiàn)。但是該類電池器件的輸出功率很小，在實際應(yīng)用中需要通過聚光設(shè)備對輻射源進(jìn)行聚光才能獲得較高的輸出功率，而聚光設(shè)備的高精度要求將會限制此類聚光型電池的普遍應(yīng)用。
【成果簡介】
針對目前非聚光型（≥ 1 cm2）OPV器件發(fā)展緩慢的科學(xué)難題，最近，華南理工大學(xué)的曹鏞院士團(tuán)隊與德國愛爾蘭根-紐倫堡大學(xué)的Christoph J. Brabec教授團(tuán)隊合作，從聚合物給體材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)微調(diào)控著手，開發(fā)了一系列新型寬帶隙給體，并研究了其光譜特性、電學(xué)能級、以及聚集特性的差異與規(guī)律。通過篩選最佳的給/受體組合，在1 cm2非聚光型器件中獲得12.25%光電轉(zhuǎn)換效率，該效率經(jīng)過獨立機(jī)構(gòu)認(rèn)證，是目前報道的1 cm2單節(jié)有機(jī)光伏器件的最高效率。且該體系具有優(yōu)異的長期穩(wěn)定性，在1 sun連續(xù)光照近1100 h仍能維持93%的器件效率。通過形貌等相關(guān)分析，證實了該體系優(yōu)異的大面積器件性能及良好的穩(wěn)定性主要來源于較好的組分相容性和混合膜均一性。最后，通過能量損失分析，指出因降低帶隙產(chǎn)生的Shockley-Queisser開路電壓損失（VOC, SQ）和因非輻射復(fù)合產(chǎn)生的開路電壓損失（ΔVOC, nr）對不同體系的開路電壓實驗值差異起決定性作用，且電荷轉(zhuǎn)移（CT）態(tài)的存在及能量高低對ΔVOC, nr具有較大影響。能量損耗的分析指出在材料設(shè)計過程中能級匹配的重要性，在降低帶隙獲得更好的光譜吸收的同時需要注意避免ΔVOC, nr的增加。
展開 
華南理工曹鏞團(tuán)隊Nature Energy：化學(xué)結(jié)構(gòu)微調(diào)控實現(xiàn)1 cm2高效有機(jī)太陽電池
【引言】
有機(jī)太陽電池制備成本低、光/電特性易調(diào)節(jié)、可實現(xiàn)半透明以及可制成大面積柔性器件，具有巨大的商業(yè)開發(fā)價值和應(yīng)用前景。然而，受限于有機(jī)混合薄膜的形貌均一性，目前高效的OPV器件只能在很小的有效輻照面積（< 0.05 cm2）時才能實現(xiàn)。但是該類電池器件的輸出功率很小，在實際應(yīng)用中需要通過聚光設(shè)備對輻射源進(jìn)行聚光才能獲得較高的輸出功率，而聚光設(shè)備的高精度要求將會限制此類聚光型電池的普遍應(yīng)用。
【成果簡介】
針對目前非聚光型（≥ 1 cm2）OPV器件發(fā)展緩慢的科學(xué)難題，最近，華南理工大學(xué)的曹鏞院士團(tuán)隊與德國愛爾蘭根-紐倫堡大學(xué)的Christoph J. Brabec教授團(tuán)隊合作，從聚合物給體材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)微調(diào)控著手，開發(fā)了一系列新型寬帶隙給體，并研究了其光譜特性、電學(xué)能級、以及聚集特性的差異與規(guī)律。通過篩選最佳的給/受體組合，在1 cm2非聚光型器件中獲得12.25%光電轉(zhuǎn)換效率，該效率經(jīng)過獨立機(jī)構(gòu)認(rèn)證，是目前報道的1 cm2單節(jié)有機(jī)光伏器件的最高效率。且該體系具有優(yōu)異的長期穩(wěn)定性，在1 sun連續(xù)光照近1100 h仍能維持93%的器件效率。通過形貌等相關(guān)分析，證實了該體系優(yōu)異的大面積器件性能及良好的穩(wěn)定性主要來源于較好的組分相容性和混合膜均一性。最后，通過能量損失分析，指出因降低帶隙產(chǎn)生的Shockley-Queisser開路電壓損失（VOC, SQ）和因非輻射復(fù)合產(chǎn)生的開路電壓損失（ΔVOC, nr）對不同體系的開路電壓實驗值差異起決定性作用，且電荷轉(zhuǎn)移（CT）態(tài)的存在及能量高低對ΔVOC, nr具有較大影響。能量損耗的分析指出在材料設(shè)計過程中能級匹配的重要性，在降低帶隙獲得更好的光譜吸收的同時需要注意避免ΔVOC, nr的增加。
展開 ：準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)助力揭示有機(jī)太陽電池形貌演變
有機(jī)太陽電池（OSCs）由于其結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、可大面積制備等優(yōu)點，受到了廣泛的關(guān)注。近年來，隨著新型光敏活性層材料的快速發(fā)展和對活性層形貌調(diào)控的深入理解，OSCs的能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）不斷取得突破。其中，活性層形貌調(diào)控對于提升器件效率至關(guān)重要。然而，基于本體異質(zhì)結(jié)（BHJ）結(jié)構(gòu)的活性層形貌較難調(diào)控，最佳形貌通常處于亞穩(wěn)態(tài)且受熱力學(xué)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(xué)穩(wěn)定狀態(tài)變化，活性層的給/受體兩相發(fā)生擴(kuò)散，導(dǎo)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(xù)旋涂法制備的準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)（PPHJ）OSCs，可以優(yōu)化活性層垂直相分離形貌，促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移和收集，同時可以提高活性層形貌穩(wěn)定性，有利于獲得高效、穩(wěn)定的OSCs。因此，PPHJ OSCs具有非常大的研究價值。
南昌大學(xué)/江西師范大學(xué)陳義旺教授團(tuán)隊在前期的研究中引入三元準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)策略，通過連續(xù)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(yōu)化了器件性能（Adv. Funct. Mater. 2020, 1909760）。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊進(jìn)一步將三元準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)的策略應(yīng)用于大面積刮涂，通過連續(xù)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(dá)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 陳義旺/胡笑添課題組：非潤濕導(dǎo)電高分子陽極界面層制備高性能柔性鈣鈦礦太陽電池
南昌大學(xué)/江西師范大學(xué)陳義旺教授課題組提出了采用一種非潤濕的油溶性PEDOT（Oil-PEDOT）做為空穴傳輸層制得高性能的柔性鈣鈦礦太陽電池。研究發(fā)現(xiàn)，Oil-PEDOT有著很好的結(jié)晶性和可印刷性，在非摻雜的狀態(tài)下有良好的導(dǎo)電性和電荷傳輸性能，在調(diào)控了大面積柔性鈣鈦礦的結(jié)晶質(zhì)量后，器件的機(jī)械穩(wěn)定性得到很大提升。
鈣鈦礦由于其優(yōu)異的光電性能和結(jié)晶性在光伏器件中得到了廣泛應(yīng)用。過去十年里，在研究人員的不懈努力下，鈣鈦礦太陽電池得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，最高認(rèn)證效率（NREL）已經(jīng)超過了25%。然而，大面積柔性鈣鈦礦薄膜結(jié)晶質(zhì)量不佳和高成本的物料依然是限制鈣鈦礦太陽電池朝商業(yè)化進(jìn)軍的重要因素。最近陳義旺教授課題組合成了一種非潤濕的油溶性PEDOT（Oil-PEDOT）并將其作為陽極界面層應(yīng)用在柔性鈣鈦礦器件當(dāng)中。
作者首先對合成的Oil-PEDOT進(jìn)行了初步的光學(xué)和電學(xué)表征，相比于參考樣品（PEDOT:PSS），其性能有一定改善，如圖1所示。進(jìn)一步研究后發(fā)現(xiàn)Oil-PEDOT中PEDOT組分含量要遠(yuǎn)高于PEDOT:PSS，同時在相應(yīng)的薄膜上也觀察到Oil-PEDOT的結(jié)晶性要強(qiáng)于PEDOT:PSS，具有島狀結(jié)晶的Oil-PEDOT更利于電荷傳輸同時也改善了上層鈣鈦礦的結(jié)晶生長質(zhì)量。此外，在光學(xué)顯微鏡下觀察到Oil-PEDOT不存在很明顯的液邊擴(kuò)張現(xiàn)象，從而可以印證其相比于參考墨水（PEDOT:PSS）來說具有更優(yōu)的可印刷性，如圖2所示。
圖1 合成工藝及光學(xué)性能圖。
圖2 材料的性能和形貌表征。
作者進(jìn)一步在優(yōu)化后的陽極界面層上沉積鈣鈦礦，發(fā)現(xiàn)其上層鈣鈦礦的晶體質(zhì)量得到明顯改善，這與Oil-PEDOT上鈣鈦礦成核和結(jié)晶時間的降低有關(guān)。
展開 陳義旺/胡笑添課題組：非潤濕導(dǎo)電高分子陽極界面層制備高性能柔性鈣鈦礦太陽電池
：準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)助力揭示有機(jī)太陽電池形貌演變
南昌大學(xué)陳義旺教授課題組《Adv. Funct. Mater.》：通過抑制能量損失印刷制備有機(jī)太陽能電池取得進(jìn)展
南昌大學(xué)陳義旺教授和諶烈教授研究團(tuán)隊利用無規(guī)共聚策略精準(zhǔn)調(diào)控有機(jī)太陽能電池活性層形貌取得新進(jìn)展
南昌大學(xué)陳義旺教授和諶烈教授研究團(tuán)隊利用側(cè)鏈工程精準(zhǔn)調(diào)控聚合物給體太陽能電池整體性能參數(shù)取得新進(jìn)展
南昌大學(xué)陳義旺教授和諶烈教授研究團(tuán)隊在端基四氟取代的非富勒烯受體用于高效三組分“合金”型太陽能電池研究方面取得新進(jìn)展
向自然學(xué)習(xí)-南昌大學(xué)陳義旺教授團(tuán)隊首次提出貽貝仿生法提高氧化鋅耐彎折性實現(xiàn)有機(jī)太陽能電池柔性設(shè)計
南昌大學(xué)陳義旺教授課題組系統(tǒng)評述：無規(guī)共聚策略設(shè)計聚合物太陽能電池的展望與思考
南昌大學(xué)陳義旺教授和諶烈教授課題組：高結(jié)晶性誘導(dǎo)小驅(qū)動力實現(xiàn)聚合物太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率超過11%
南昌大學(xué)陳義旺教授和諶烈教授研究團(tuán)隊通過無規(guī)共聚精準(zhǔn)調(diào)控有機(jī)太陽能電池給受體分子取得新進(jìn)展
中科院化學(xué)所宋延林研究員課題組和南昌大學(xué)陳義旺教授課題組：綠色印刷制備可穿戴的鈣鈦礦太陽能電池
南昌大學(xué)陳義旺教授課題組在室溫加工的有機(jī)太陽能電池上取得新進(jìn)展
南昌大學(xué)陳義旺教授課題組在有機(jī)太陽能電池熱穩(wěn)定性研究方面取得進(jìn)展
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