中科院李永舫等人:新型窄带隙受体实现高性能串联有机太阳能电池

作者:光伏协会    浏览:5    发布时间:2021-1-12 11:11:09

串联有机太阳能电池(OSC)是基于单片连接两个OSC的器件结构,现已被广泛用作一种简单而可靠的方法,以实现更高性能的OSC并更好地利用近红外太阳能。在串联OSC中,可以通过使用宽带隙子电池收集高能光子和另一个窄带隙子电池利用低能光子来有效地扩展吸收光谱的波长区域。同时,串联OSC的开路电压(VOC)是两个子电池的总和,而且每个子层的厚度可以轻松地分别调整,以匹配每个波长区域中的平衡吸光度,并提供最大的光子能量效率。

近日,中国科学院化学研究所李永舫教授,孟磊研究员和北卡罗莱纳州立大学Harald Ade教授等人提出了一种简单的新型策略,即在小分子受体Y6的中心核和端基之间插入双键,以扩展其结合长度和吸收范围,首次设计并合成了具有1.21 eV光学带隙的新型超窄带隙受体BTPV-4F。BTPV-4F由于其分子共轭长度的延长,显示出明显的红移吸收,基于PTB7-Th:BTPV-4F:PC71BM的OSC表现出创纪录的Jsc为28.9 mA cm-2,所获得光电转换效率(PCE)为13.4%,并且显示出了宽的响应波长范围,在300-1050 nm均有相应的吸收。此外,研究人员合成了带隙为1.61 eV的中等带隙受体m-DTC-2F,并选择PM6:m-DTC-2F作为前电池活性层,以使PTB7-Th:BTPV-4F:PC71BM作为后电池制造串联OSC。由于可以有效利用300-1050 nm范围内的太阳光,并且减少了两个子电池的能量损耗,因此串联OSC的PCE值达到了16.4%。此外,基于BTPV-4F的OSC表现出优秀的光稳定性,在使用500 h后,PCE值仍然可保留最初的91%。研究人员还认为,如果通过优化前单元材料系统将填充因子(FF)提高到75%以上,串联OSC的PCE甚至可以超过18%。

这项研究成果表明,将双键插入A-DA’D-A类型分子是一种构建具有高性能和稳定性的有机小分子受体的简单有效方法,并为设计新型受体分子提供了新策略。该工作也于近期发表在《Nature Communications》上,题为“High performance tandem organic solar cells via a strongly infrared-absorbing narrow bandgap acceptor”。