基于無(wú)定型聚合物給體材料的高性能有機(jī)太陽(yáng)能
瀏覽次數(shù)： 342 發(fā)布時(shí)間：2017-10-16 09:00:58 發(fā)布人：editor
隨著全球能源危機(jī)的不斷加劇，尋找新的清潔能源成了擺在人類面前的一個(gè)迫切需求。有機(jī)太陽(yáng)能電池具有成本低、質(zhì)量輕、材料來(lái)源廣泛、可采用印刷方式加工、可制備柔性器件等諸多優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)受到了廣泛的關(guān)注。過(guò)去，研究人員普遍認(rèn)為使用具有高結(jié)晶性的共軛電子給體材料有利于器件內(nèi)電荷的傳輸，是獲得高性能有機(jī)太陽(yáng)能電池的一個(gè)必備條件。相比之下，結(jié)構(gòu)無(wú)序的電子給體鮮有報(bào)道，人們對(duì)這類材料的認(rèn)識(shí)相對(duì)缺乏。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，Nano Energy刊登了中國(guó)石油大學(xué)(華東)趙學(xué)波團(tuán)隊(duì)的研究論文“基于無(wú)定形電子給體材料與修飾富勒烯受體的高性能有機(jī)太陽(yáng)能電池”(High effciency organic solar cells based on amorphous electron-donating polymer and modified fullerene acceptor)。論文由中國(guó)石油大學(xué)(華東)、江漢大學(xué)、西安近代化學(xué)研究所、上海交通大學(xué)，華南理工大學(xué)等單位合作完成。中國(guó)石油大學(xué)(華東)非常規(guī)油氣與新能源研究院趙學(xué)波教授為論文第一單位通訊作者，肖標(biāo)博士為第一作者。
【文章亮點(diǎn)】
該文利用一種在結(jié)構(gòu)上高度無(wú)序的電子給體與富勒烯衍生物電子受體作為光活性層材料，采用低沸點(diǎn)溶劑蒸汽退火處理的方式制備并優(yōu)化了電子有機(jī)太陽(yáng)能電池，獲得了光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)7.25%的有機(jī)太陽(yáng)電池器件。作者采用一系列光學(xué)與電學(xué)手段闡明了采用溶劑蒸汽退火工藝處理光活性層造成器件性參數(shù)能(尤其是開(kāi)路電壓)發(fā)生顯著改變的原因。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1. 無(wú)定型電子給體材料的分子結(jié)構(gòu)及其光伏器件的基本光電性能
a)無(wú)定型電子給體PBDTTFTQ-DO的分子結(jié)構(gòu)式;
b)溶劑蒸汽退火處理前后器件的電流-電壓圖;
c)電池的量子轉(zhuǎn)換效率圖;
b)溶劑退火前后薄膜的吸收?qǐng)D;
f)溶劑處理前后器件內(nèi)的激子生成速率圖。
圖2. 光活性層薄膜的形貌表征
a)- c)溶劑蒸汽處理前后的GIXD圖;
d)薄膜的軟X射線衍射圖譜。
圖3.器件中載流子的傳輸性能評(píng)價(jià)
a)溶劑蒸汽退火處理前后單載流子器件的電流-電壓特性;
b)采用交流阻抗譜得到的載流子遷移率隨電場(chǎng)的變化規(guī)律。
圖4.不同模擬光強(qiáng)下器件的輸出特性
a)、b)溶劑蒸汽處理前后電池的J-V特性曲線;
c)器件的填充因子隨光強(qiáng)的變化規(guī)律。
圖5. 交流阻抗分析結(jié)果
a)、b)As cast與Solvent annealed 器件的阻抗測(cè)試圖;
c)- f)器件的傳輸電阻(Rtrans)、復(fù)合電阻(Rrec)、載流子平均壽命(τave)及電容理想因子(CPEP)隨電場(chǎng)的變化規(guī)律。
圖6. 器件的電容測(cè)試結(jié)果
a)0V時(shí)器件的電壓特性;
b)10kHz、暗態(tài)下器件的Mott-Schottky曲線;
c)CPET隨光強(qiáng)的變化規(guī)律。
圖7. 器件的開(kāi)路電壓變化原理示意圖
a)溶劑蒸汽處理前后給受體的能級(jí)位置示意圖;
b)溶劑蒸汽處理前后薄膜形貌變化示意圖。
【總結(jié)&展望】
一方面，此項(xiàng)工作表明即使無(wú)定型聚合物也是可以用來(lái)制備高性能有機(jī)太陽(yáng)能電池的。另一方面，這項(xiàng)工作為有機(jī)太陽(yáng)能電池中給體材料的設(shè)計(jì)提供了新的思路。同時(shí)，本文也闡明了溶劑蒸汽處理對(duì)太陽(yáng)能電池器件性能影響的原因，有助于進(jìn)一步優(yōu)化器件并獲得更高能量轉(zhuǎn)換效率的有機(jī)太陽(yáng)能電池。
通訊作者簡(jiǎn)介：
趙學(xué)波，中科院“百人計(jì)劃“入選者， 山東省“泰山學(xué)者”特聘專家。1986年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)并留校任教。2000年出國(guó)留學(xué)，2005年獲英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)博士學(xué)位并留在該校繼續(xù)從事研究工作。留英期間獲“國(guó)家優(yōu)秀自費(fèi)留學(xué)生獎(jiǎng)”和英國(guó)燃燒工程協(xié)會(huì)杰出研究成就獎(jiǎng)“The Derek Ezra Award 2004”。2010年入選中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”，任中科院青島生物能源與過(guò)程研究所研究員、“儲(chǔ)氫及新型納孔材料”團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人。2014年轉(zhuǎn)入中國(guó)石油大學(xué)(華東)非常規(guī)油氣與新能源研究院工作，任教授委員會(huì)主任、博士生導(dǎo)師、“新能源科學(xué)與技術(shù)研究中心”主任，2015年當(dāng)選山東省“泰山學(xué)者特聘專家”。他負(fù)責(zé)的研究中心現(xiàn)在主要從事新型金屬有機(jī)框架材料、新型碳材料的制備及其在氣體分離與存儲(chǔ)、新型電極材料、儲(chǔ)能材料、石油加工催化材料等方面的應(yīng)用研發(fā)工作。近年來(lái)，在Science、Nature-Chemistry、JACS、Angew、AFM、Nano Energy、CM、CC、JMC、Carbon、JPC、ACS Appl. Mater. Interfaces等國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表100多篇研究論文, 被國(guó)內(nèi)外同行引用4000多次，以第一作者發(fā)表在Science上的論文單篇引用1000多次。
團(tuán)隊(duì)近期成果：
Liting Yan, Lei Cao, Pengcheng Dai, Xin Gu, Dandan Liu, Liangjun Li, Ying Wang, Xuebo Zhao*. Metal‐Organic Frameworks Derived Nanotube of Nickel–Cobalt Bimetal Phosphides as Highly Efficient Electrocatalysts for Overall Water Splitting. Advanced Functional Materials, 2017. DOI: 10.1002/adfm.201703455
BiaoXiao, Minli Zhang, Jun Yan, Guoping Luo, Ke Gao, Jiyan Liu, Qingliang You, Hong-Bo Wang, Chao Gao, Baofeng Zhao, Xuebo Zhao*, Hongbin Wu, Feng Liu. High efficiency organic solar cells based on amorphous electron-donating polymer and modified fullerene acceptor. Nano Energy, 2017, 39: 478-488.
Liting Yan, Pengcheng Dai, Ying Wang, Xin Gu, Liangjun Li, Lei Cao, Xuebo Zhao*. In Situ Synthesis Strategy for Hierarchically Porous Ni2P Polyhedrons from MOFs Templates with Enhanced Electrochemical Properties for Hydrogen Evolution. ACS Applied Materials & Interfaces 9.13 (2017): 11642-11650.
Liangjun Li, Pengcheng Dai, Xin Gu, Ying Wang, Liting Yan, Xuebo Zhao*. High oxygen reduction activity on a metal–organic framework derived carbon combined with high degree of graphitization and pyridinic-N dopants. Journal of Materials Chemistry A 5.2 (2017): 789-795.
Xin Gu, Liangjun Li, Ying Wang, Pengcheng Dai, Hongbo Wang, Xuebo Zhao*. Hierarchical tubular structures constructed from rutile TiO2nanorods with superior sodium storage properties. Electrochimica Acta, 2016, 211: 77-82.
原文鏈接：High efficiency organic solar cells based on amorphous electron-donating polymer and modified fullerene acceptor (Nano Energy，2017，https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.07.034)