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《中南大学在有机太阳能电池领域取得进展》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 冯瑞华
  • 发布时间：2019-03-04

  • 国际知名期刊《焦耳》和《自然通讯》近日发表了中南大学化学化工学院邹应萍教授课题组有机太阳能电池材料设计合成及机理研究方面的系列成果。该成果为推动高效率有机太阳能电池研发、未来工业化生产具有积极的影响。 有机太阳能电池是一种将太阳能转换为电能的新型电子器件，因其制备成本低、光电特性易调节、可制成半透明以及可大面积“卷对卷印刷”等优点，已成为目前研究的热点。衡量太阳能电池性能的主要指标是其能量转换效率。高效率有机太阳能电池仍然是目前研究的首要目标，也是实现其产业化的关键。 邹应萍教授课题组除了考虑有机太阳能电池材料能级匹配、吸收光谱互补和迁移率平衡外，还从热力学、空间构型等角度考虑材料的兼容性，进而合成了有机小分子受体光伏材料。这种小分子受体可有效拓宽吸收光谱，降低器件电压损失，为材料合成提供了新思路。

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相关报告

  • 《我国学者在有机太阳能电池领域取得进展》
    • 来源专题：能源情报网监测服务平台
    • 编译者：郭楷模
    • 发布时间：2025-02-24
    • 在国家自然科学基金项目（批准号：52325307、52273188）等资助支持下，苏州大学材料与化学化工学部李耀文教授团队突破了从薄膜活性层到厚膜活性层转换过程中电池效率损失的局限性，为高通量印刷高性能有机太阳能电池组件提供了新思路，相关成果以“调控结晶顺序实现20.82%效率且具备高活性层膜厚容忍度的有机太阳能电池（Organic solar cells with 20.82% efficiency and high tolerance of active layer thickness through crystallization sequence manipulation）”为题，于2025年1月17日发表在《自然?材料》（Nature Materials）杂志上，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-024-02062-0。   近年来，可溶液印刷有机太阳能电池由于具有轻质、柔性、结构简单、高通量制备等优点，在便携式能源、光伏建筑一体化等应用中展现巨大潜力，有望突破晶硅电池在应用场景方面的局限性，成为一种颠覆性光伏技术。目前，有机太阳能电池效率已突破20%。然而，高效率有机太阳能电池通常基于约100 nm的薄膜活性层制备，其在高通量印刷时易产生孔洞，而活性层厚度增加会导致电池效率急剧下降，严重制约了产业化进程。   为了解决上述问题，苏州大学李耀文教授团队率先提出了活性层材料顺序结晶策略，实现了给、受体材料结晶在时间和空间上的多维度协同调控，获得了高结晶度、本体异质结梯度分布的活性层，有效延长了活性层中载流子扩散长度。基于100、250、400 nm活性层制备的小面积（0.062 cm2）有机太阳能电池均获得了纪录认证效率（20.43%，19.15%，17.93%），显著降低了电池效率对活性层厚度的敏感性。基于高通量印刷制备的厚膜活性层，大面积（15.03 cm2）模组创下了18.04%的纪录认证效率。该工作解决了可高通量印刷有机光伏大面积模组制备过程中的瓶颈问题，加速推动了有机太阳能电池的产业化进程。
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  • 《突破 | 柔性有机太阳能电池领域取得新进展》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2022-04-27
    • 近日，《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)以“Realizing 17.5% Efficiency Flexible Organic Solar Cellsvia Atomic-Level Chemical Welding of Silver Nanowire Electrodes”为题（DOI:10.1021/jacs.2c01503），在线报道了苏州大学李耀文教授在可印刷银纳米线柔性透明电极（FTE）可控生长及高效柔性有机太阳能电池（FOSCs）构筑取得的重要研究进展。 近年来，FOSCs因其质量轻、可溶液加工、具有可弯曲性等优点引起了科研工作者的广泛关注，并获得了飞速发展。然而，FOSCs的效率较基于玻璃基底制备的刚性电池仍有较大差距，主要原因是基于塑料基底制备的柔性透明电极在面电阻、透过率及可加工性等方面受到了局限。银纳米线（AgNWs）作为新一代高导电率、高透过率、耐弯折的材料已被广泛的应用于柔性电子设备的柔性电极中。但是由于溶液加工的AgNWs之间较差的接触以及与基底之间较弱的粘附力，使得FTE通常表现出较高的粗糙度和较差的导电及机械性能，严重影响了FOSCs的器件性能。基于此，苏州大学李耀文教授等人针对上述问题，提出了“可控还原—化学焊接”策略，通过向银纳米线溶液中引入具有还原性的离子液体（图1a）和硝酸银并与嵌有银纳米线（Em-Ag）的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底相结合，使被还原的银以孪晶生长方式焊接在AgNWs的结点，实现AgNWs和还原银之间原子级接触。这有助于在不牺牲光学透过率的情况下增强AgNWs的物理/电学接触，提高FTE的机械性能和导电性能。基于该FTE制备的FOSCs实现了效率的大幅度提升，以PM6:BTP-eC9:PC71BM为活性层的小面积器件（0.062 cm2）效率达到了17.52%。重要的是，这种FTE的制备方法适用于大尺寸印刷，采用刮涂方法制备的1 cm2 FOSCs的PCE高达15.82%。 图1. （a）离子液体的结构式;（b-c）不同反应时间析出物的照片和XRD谱图，其中*和#分别为AgCl和Ag的特征峰;（d） PET/Em-Ag/AgNWs-IL FTE的SEM图像：白色框表示部分嵌入在PET衬底上的AgNWs，黄色框表示在AgNWs的结点处形成的颗粒 图2 （a）AgNWs结点FIB切割过程示意图；（b）AgNW结点的透射电镜剖面图和（c）EDS图谱;（d）图2b中标记区域1的透射电镜截面放大图像;（e）左:图2b中标记区域2的透射电镜截面放大图像;右:所选区域的HR-TEM图像 图3.（a）制备AgNWs FTE流程示意图；（b）Em-Ag/AgNWs-IL FTE(不含衬底)在不同浓度离子液体时的方块电阻、电导率和（c）透过光谱。附图: FTE在10 cm × 10 cm尺度下的照片；（d）FTE的FoM值 图4. （a）FOSCs结构示意图以及给体PM6与受体Y6、BTP-eC9和PC71BM的分子结构；（b）小面积FOSCs的J-V曲线；（c）大面积柔性透明电极透过率及面电阻均一性；（d）1cm2 FOSCs的J-V曲线；（e）FOSCs效率统计分布图 图5.（a）PET/Em-Ag/AgNWs和PET/Em-Ag/AgNWs-ILFTE的方块电阻随弯曲次数增加的变化趋势。插图:弯曲试验示意图；（b）PET/Em-Ag/AgNWs和PET/Em-Ag/AgNWs-IL FTE在剥离力作用下方块电阻的变化。插图:剥离试验示意图；（c）0.062-cm2 FOSCs经过6000次弯曲之后的PCE衰减；（d）0.062-cm2 FOSCs在1200次不同弯曲半径下弯曲循环后的相对PCE衰减；（e）1-cm2 FOSCs经过6000次弯曲的PCE衰减过程。插图: FOSCs在弯曲时的照片 综上所述，该工作在AgNWs结点实现了Ag+的可控还原，银纳米线与被还原银颗粒之间获得了原子级别的物理接触，在银纳米线间形成了“银纳米线—还原银—银纳米线”导电通道，制备的FTE同时具有高的电导率和透光率。相关研究工作对于推动高性能银纳米线电极的商业化有重要的意义，并有望进一步促进高性能、大面积柔性光电器件的发展。
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