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上海交大朱磊、劉烽團(tuán)隊(duì)報(bào)道接近21%能量轉(zhuǎn)換效率的有機(jī)太陽能電池

2024-09-21 08:34:22來源：上海交通大學(xué) 閱讀量：29 評(píng)論

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導(dǎo)讀：有機(jī)太陽能電池具有低碳、輕質(zhì)、柔性等優(yōu)勢，并且可以通過印刷技術(shù)低能耗快速制備，是一種極具價(jià)值的光伏技術(shù)，天然適用于建筑一體化與設(shè)備集成等場景。

　　近日，上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院/變革性分子前沿科學(xué)中心/上海市電絕緣與熱老化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室朱磊助理研究員與劉烽教授團(tuán)隊(duì)在Joule期刊發(fā)表了一篇題為“Achieving 20.8% organic solar cells via additive-assisted layer-by-layer fabrication with bulk p-i-n structure and improved optical management”的研究成果。該成果報(bào)道了一種添加劑輔助的逐層加工的新方法，成功構(gòu)筑光伏活性層體相p-i-n結(jié)構(gòu)(納米級(jí))和表面皺紋形貌(微米級(jí))，實(shí)現(xiàn)了活性層形貌的多級(jí)次調(diào)控，并獲得了器件效率的突破。論文通訊作者是朱磊、劉烽；第一作者是朱磊、張明。
 
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　　有機(jī)太陽能電池具有低碳、輕質(zhì)、柔性等優(yōu)勢，并且可以通過印刷技術(shù)低能耗快速制備，是一種極具價(jià)值的光伏技術(shù)，天然適用于建筑一體化與設(shè)備集成等場景。盡管近年來有機(jī)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率取得了顯著提升，但在大面積模組制備和器件穩(wěn)定性化仍有待提高。
 
　　有機(jī)太陽能電池一般采用給體和受體材料共混溶液涂布制備。然而，該方法無法調(diào)控器件垂直方向上的梯度分布，不利于載流子快速傳輸。逐層制備，控制層間擴(kuò)散，構(gòu)筑相分離形貌是一種新型的器件制備方案，對(duì)垂直相分離調(diào)控具有較好的效果，然而在水平相分離調(diào)控上較為困難。對(duì)此，研究團(tuán)隊(duì)通過成膜添加劑篩選，在逐層制備中實(shí)現(xiàn)形貌預(yù)優(yōu)化，并輔助控制層間擴(kuò)散，成功地將垂直相分離于水平相分離協(xié)同調(diào)控，構(gòu)建了具有梯度組分分布的雙纖維網(wǎng)絡(luò)相分離活性層形貌。其中，纖維直徑約20納米，纖維間共混相的尺度壓僅幾納米，形成體相p-i-n結(jié)構(gòu)，纖維密度大幅提高，連續(xù)性增強(qiáng)，大大優(yōu)化了載流子的傳輸路徑，使得激子在解離后能迅速轉(zhuǎn)移至纖維網(wǎng)絡(luò)快速傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了高效的激子解離和載流子輸運(yùn)，顯著減少了復(fù)合損失。
 
　　此外，這種活性層制備方法成功構(gòu)筑了光伏薄膜表面褶皺，具有漫反射增強(qiáng)能力，綜合效果類似于硅光伏的表面制絨工藝，對(duì)薄膜光伏組件的實(shí)際應(yīng)用具有重要價(jià)值。表面褶皺形成關(guān)鍵是在受體層制備過程中引入高沸點(diǎn)添加劑，在馬蘭戈尼-伯納德不穩(wěn)定性和旋涂過程中的徑向流作用下，形成了條紋褶皺。該褶皺形貌不僅增加了光在活性層中的行進(jìn)路徑，還通過散射反射效應(yīng)大幅提升了光捕獲能力，提高了光子在吸收層的利用效率，從而顯著提升了電池的短路電流。通過納米級(jí)與微米級(jí)多級(jí)次形貌的構(gòu)筑與優(yōu)化，研究人員成功制備了具有20.8%能量轉(zhuǎn)換效率的小面積器件以及17.0%能量轉(zhuǎn)換效率的模組器件，推進(jìn)了有機(jī)太陽能電池效率的提升。
 
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　　圖1. 吸光層的納米級(jí)體相p-i-n結(jié)構(gòu)與微米級(jí)表面皺紋結(jié)構(gòu)以及小面積器件與模組器件性能
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