探索超過16％能量轉化效率的全聚合物太陽能電池

發布時間：2021-06-21 11:21 原文鏈接：探索超過16％能量轉化效率的全聚合物太陽能電池

　　全聚合物太陽能電池（all-PSCs）具有獨特優勢如良好的穩定性和魯棒性，因此被認為是一種有前途的光伏技術。由于缺乏有效的聚合物材料，這種類型的光伏電池在功率轉換效率（PCE）方面經歷了二十年的緩慢發展。近年來，聚合小分子受體的最新進展使其PCE達到了一個新的水平，已經有多個體系的PCE超過10％。迄今為止，性能最好的all-PSCs的PCE范圍在15％至16％之間。然而，與基于小分子的太陽能電池相比，all-PSCs仍有很長的路要走。

　　從基于小分子的太陽能電池的研究經驗來看，微調形貌從而調節器件性能對于進一步提高良好光伏性能材料的器件效率至關重要。在all-PSC中，微調形貌從而調節器件性能更為困難，因為all-PSC的形成基于兩種緊密纏結的材料，這兩種材料均由長的共軛鏈組成。另外要同時提高三個主要器件參數（即開路電壓（VOC），短路電流密度（JSC）和填充因子（FF））的效率尤其具有挑戰性，因為一種參數增加通常伴隨著其他一種或多種參數的下降。但這并不意味著從設備工程的角度無法做到，使用添加劑（溶劑或固體，小分子或聚合物）就是提高太陽能電池的光伏性能的有效策略。在全PSC系統中，傳統的溶劑添加劑，如1,8-二碘辛烷（DIO）和1-氯萘（CN），可以有效地提高器件性能。除溶劑添加劑外，在近期的多篇論文報道中，聚合物也被成功地作為添加劑有效地提高了器件性能。

　　圖1. 器件的光伏性能

　　在這項工作中，作者采用了已經展示出最先進的光伏性能體系的基于PM6：PY-IT的all-PSC作為目標體系，并精細地修改了全聚合物活性層的形態，在制膜過程中調節溶劑添加劑和固體添加劑，以提高器件性能。具體而言，與PCE為14.93％的參比器件（活性混合物溶液中的1 vol％CN）相比，作者優化了CN的含量并利用少量的N2200作為固體添加劑來制備器件，使器件效率高達16.04％。溶劑和聚合物添加劑的協同作用可同時改善開路電壓（VOC），短路電流密度（JSC）和填充系數（FF）的光伏參數。GIWAXS和設備物理研究表明，溶劑和固體添加劑可以有效地改變微晶的形狀，使它們生長得“更細”（相對于基板平面），從而在抑制重組的同時增強了電荷的傳輸，減少了非輻射電壓損耗。與控制裝置相比，加了固體添加劑的裝置的儲存穩定性和光穩定性也大大增加。

　　圖2. 活性層薄膜的形貌變化

　　該研究結果以“All-polymer Solar Cells with Over 16% Efficiency and Enhanced Stability Enabled by Compatible Solvent and Polymer Additives”為題發表于Aggregate期刊（Aggregate.2021；e58）。

　　論文第一作者為香港科技大學博士馬睿杰和瑞典林雪平大學博士生虞堅煒，通訊作者為香港科技大學顏河教授，劉燾博士，山東師范大學唐波教授，林雪平大學高峰教授和深圳技術大學張光燁博士。

　　此外，該工作還得到香港中文大學路新慧教授的表征支持，以及香港理工大學李剛教授，嚴岑琪博士和俞江升博士在交叉認證時提供的幫助。