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侯劍輝&張茂杰AM:效率19.6%!串聯(lián)有機光伏電池創(chuàng)新紀(jì)錄!
日期:2021-08-10   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:sy_mengjinshu 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
導(dǎo)語:研究人員通過優(yōu)化低電壓損耗的光活性層和開發(fā)一種有效的調(diào)節(jié)光場分布的方法,制備了高效的雙結(jié)串聯(lián)有機光伏(OPV)電池,最終獲得了創(chuàng)紀(jì)錄19.64%的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)。

1.前言


串聯(lián)結(jié)構(gòu)的成功構(gòu)建為實現(xiàn)高光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)的有機光伏(OPV)器件提供了一種新的策略。在最簡單的串聯(lián)電池中,兩個子電池通過互連層(ICL)連接,具有相對較高和較低能量的光子分別在子單元中被吸收和利用。為了實現(xiàn)高短路電流密度(JSC)和開路電壓(VOC),應(yīng)在子電池中使用具有互補吸收光譜和低能量損耗的光活性層,同時ICL還應(yīng)滿足光學(xué)和電子特性的特定要求。

與單結(jié)器件相比,串聯(lián)器件中光活性材料的選擇受到了更多限制。除了聚焦有效電荷的產(chǎn)生,串聯(lián)結(jié)構(gòu)更強調(diào)子電池之間的光電流平衡,這是因為子電池的吸收光譜和整個串聯(lián)電池的光分布顯著影響JSC,光學(xué)控制對串聯(lián)OPV電池就顯得至關(guān)重要。例如,通過采用具有不同吸收光譜的光活性材料或調(diào)節(jié)ICL的光學(xué)特性,可以實現(xiàn)更高的JSC,進一步改進PCE。此外,利用能量損失相對較低的光活性材料,可以在串聯(lián)電池中獲得較高的VOC。然而,同時賦予一個串聯(lián)器件這些最佳特性是非常具有挑戰(zhàn)性的。

圖1:相關(guān)分子結(jié)構(gòu)及器件特性

2.簡介

基于以上的因素,近日,中科院化學(xué)研究所侯劍輝研究員團隊與蘇州大學(xué)張茂杰教授團隊展開合作,采用基于PBDB-TF:ITCC和PBDB-TF:BTP-eC11的體系分別構(gòu)建了串聯(lián)OPV器件的底部子電池和頂部子電池。研究人員細(xì)致地研究了兩組子電池的組成、單結(jié)電池的光伏特性和串聯(lián)電池中的光場分布之間的相關(guān)性。通過微調(diào)頂部子電池的組成和厚度,研究發(fā)現(xiàn)300 nm厚的PBDB-TF:BTP-eC11薄膜(D/A比為1:2)是最理想的光活性層。當(dāng)利用MoOx/Ag/ZnO:PFN-Br作為ICL時,最終成功制備了高效的串聯(lián)電池。

圖2:相關(guān)器件的光伏性能

研究結(jié)果顯示,對于結(jié)構(gòu)為ITO/ZnO/PBDB-TF:ITCC=1:1100 nm/ICL/PBDB-TF:BTP-eC11=1:2300 nm/MoOx/Ag的優(yōu)化串聯(lián)電池,可以實現(xiàn)高達(dá)19.64%的PCE,經(jīng)NIM認(rèn)證為19.50%。通過相關(guān)分析,研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)頂部子電池的D/A比為1:2時,填充因子(FF)在厚度變化的情況下受影響較小,而JSC卻明顯較高。雖然從最佳串聯(lián)電池中獲得了創(chuàng)紀(jì)錄的PCE,但兩個子電池之間的光吸收競爭保持在400-700 nm的范圍內(nèi),并且底部子電池中的電壓損失仍然大于頂部子電池中的電壓損失(0.65 V vs 0.51 V)。因此,進一步提高串聯(lián)OPV器件的PCE仍有很大的空間。

圖3:器件結(jié)構(gòu)與外量子效率測試

3.總結(jié)

綜上,該工作通過優(yōu)化低電壓損耗的光活性層和開發(fā)一種有效的調(diào)節(jié)光場分布的方法,制備了高效的雙結(jié)串聯(lián)OPV電池,最終獲得了創(chuàng)紀(jì)錄19.64%的PCE。相關(guān)研究成果現(xiàn)已發(fā)表在國際材料類頂級期刊《Advanced Materials》上,題為“A Tandem Organic Photovoltaic Cell with 19.6% Efficiency Enabled by Light Distribution Control”。

本文關(guān)鍵詞:有機光伏,串聯(lián)器件,電壓損耗,PBDB-TF,ITCC,BTP-eC11。


PBDB-TF:1802013-83-7


PFN-Br:889672-99-5 

原標(biāo)題:侯劍輝&張茂杰AM:效率19.6%!串聯(lián)有機光伏電池創(chuàng)新紀(jì)錄!
 
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來源:知研光電材料
 
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