有机太阳能电池效率突破15%- 大数跨境

X-MOL资讯

2018-05-27

导读：美国密歇根大学的Stephen R. Forrest教授课题组将溶液加工法制备的基于非富勒烯受体的红外吸收电池与真空蒸镀法制备的基于富勒烯受体的可见光吸收电池叠在一起，实现了15%的能量转换效率。

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有机太阳能电池的优势非常明显，包括价格便宜、质轻、可以制成柔性器件等等。影响其商业化的主要壁垒还是能量转换效率（PCE）太低，低于市场化所要求的15%。最初开发的有机太阳能电池效率只有1%，随着富勒烯受体的开发，溶液加工及蒸镀法制备的有机太阳能电池的效率迅速提高到3%-10%。非富勒烯受体为提高与众多聚合物给体的光学覆盖及能级匹配开辟了新的道路，这将光电转换效率在短短两年时间又提高到了13%左右。在单结电池中，短路电流与开路电压这两个重要参数总是存在此消彼长的情况，很难同时得到提升。多层有机太阳能电池可以突破这种限制，为了实现更高效率，可吸收近红外的材料也被引入到叠层器件中。

最近，美国密歇根大学的Stephen R. Forrest教授课题组将溶液加工法制备的基于非富勒烯受体的红外吸收电池与真空蒸镀法制备的基于富勒烯受体的可见光吸收电池叠在一起，实现了15%的能量转换效率，这是文献报道中有机太阳能电池的最高转换效率记录。此外，这种叠层器件的制备产率可高达95%，面积可达1 cm²。相关工作发表在Nature Energy 上，第一作者为Xiaozhou Che。

Stephen R. Forrest教授。图片来源：University of Michigan

该叠层电池所用到的四种活性层材料如图1a所示。其中DTDCPB与C₇₀的共混层作为叠层电池的上层（前层）器件活性层，而具有近红外吸收的PCE-10与BT-CIC共混层作为叠层电池的下层（后层）器件活性层。可以看出，两层电池的吸收非常互补（图1b）。

图1. a）文中所用的给体与受体材料的分子结构式； b）上下层电池活性层的吸光系数。图片来源：Nat. Energy

叠层器件的器件结构以及各层的厚度如图2a所示。下层电池的最大吸收主要集中于700 nm与900 nm之间的近红外区，其可见光的吸收主要集中于上层，但是吸收并不集中，因此需要更厚的厚度来与下层电池的近红外吸收相匹配（图2b）。叠层电池上下层器件及组合在一起的器件光电性能如表1所示。其中还包含有面积1 cm²的器件效率（11.5%），当面积增大时，器件效率确实出现了明显降低。

图2. a）叠层器件结构示意图及光学模拟示意图（红线圈出为复合区）； b）不同材料的能级示意图。图片来源：Nat. Energy

表1. 上下层器件及叠层器件的器件参数表。图片来源：Nat. Energy

为了验证工艺的可重复性，作者制备了超过130个叠层电池器件。从它们的效率分布图（图3）可以发现，它们的效率主要集中于14.2%左右，最高效率可以达到14.4%。此外，作者还测试了器件的产率，发现其可工作的器件占总体器件数目的95%之上，这个数值其实达到了可实际工业生产的要求，即次品率控制在5%以下。

图3. 叠层电池器件效率柱形图及器件产率表。图片来源：Nat. Energy

作者发现了一个有意思的现象，叠层电池的填充因子大于0.7，这比两个单结电池的填充因子都要高的多（图4a），对光电转换效率贡献十分明显。如何解释这个现象呢？从两个子电池填充因子随光强变化的曲线（图4）可以看出，子电池填充因子均随着光强变弱而提高，这是由于光强低时双分子复合降低。两个电池叠在一起时，每个电池的光强及电流会比独立时更小。因此如图4a所示，计算的填充因子数值会比单结器件的更高。根据光学模拟，上层电池相当于0.7-0.8个太阳光强，会使得填充因子增大0.02；下层电池的光强大约为0.5个太阳光强，对应于0.73的填充因子。计算得到的叠层器件的填充因子介于两个子电池计算的填充因子之间，这个数值与测试的数值相吻合。这确定了叠层电池更高的填充因子归因于每个子电池光强的降低。