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【中玻網(wǎng)】近日,中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心納米系統與多級次制造要點(diǎn)實(shí)驗室研究員魏志祥、呂琨、博士鄧丹和西安交通大學(xué)教授馬偉等合作,設計并合成的可溶性農業(yè)生產(chǎn)體系小分子光伏材料,通過(guò)活性層形貌優(yōu)化,獲得了11.3%的光電轉換效率,這是目前文獻報道的可溶性農業(yè)生產(chǎn)體系小分子太陽(yáng)能電池的較效率高率,也是農業(yè)生產(chǎn)體系太陽(yáng)能電池的較效率高率之一。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Commun.,2016,7,13740)上。
農業(yè)生產(chǎn)體系太陽(yáng)能電池因為其具有原材料來(lái)源豐富、成本低廉、質(zhì)量輕、可通過(guò)印刷制備為大面積柔性器件等優(yōu)點(diǎn),成為具有重要應用前景的太陽(yáng)能利用方式,近年來(lái)引起廣泛關(guān)注。在活性層材料中,相比于聚合物材料,可溶性農業(yè)生產(chǎn)體系小分子具有純度高、明確的分子結構和分子量等優(yōu)點(diǎn)。但是,目前基于農業(yè)生產(chǎn)體系小分子太陽(yáng)能電池的效率依然需要進(jìn)一步提升,尤其是性能更為穩定的反向器件的較高能量轉換效率低于9%。
提高光電轉換效率的兩個(gè)主要途徑,一是通過(guò)分子設計調控能級結構,二是通過(guò)改善器件活性層形貌從而降低電荷復合,減少能量損失。魏志祥課題組通過(guò)改變可溶性小分子的端基受體中氟原子的個(gè)數,實(shí)現了這兩個(gè)方面的協(xié)同優(yōu)化。氟化端基有利于降低材料的HOMO能級和光學(xué)帶隙;同時(shí)可以降低與富勒烯受體的相容性和材料的表面能。研究表明,氟化端基誘導了材料在水平方向上多級次相尺寸的分布,即同時(shí)存在相純度高且利于電荷傳輸的大尺寸顆粒(約100nm)以及增加給受體界面面積且利于電荷分離的小尺寸顆粒(約15nm)。這種多級次相尺寸的分布使電荷分離和傳輸更趨于平衡,減少了電荷的復合,從而減少能量損失。在垂直方向上,氟化端基提高了表面給體材料的富集程度,在正較表面形成了電子阻擋層,進(jìn)一步減少了能量損失,從而實(shí)現了器件效率的提升;诖,該課題組提出了反向器件活性層的理想形貌模型,在水平上形成多尺度納米組裝結構,在垂直方向上形成有利于電荷收集的垂直相分布。該工作深入闡述了效率高光伏材料的分子設計、形貌調控和器件性能之間的內在關(guān)系,對效率高率農業(yè)生產(chǎn)體系光伏材料的設計具有重要借鑒意義。
該成果得到國家要點(diǎn)研發(fā)計劃“納米科技”要點(diǎn)專(zhuān)項、國家自然科學(xué)設立資金要點(diǎn)項目、中科院納米先導專(zhuān)項等項目的支持。
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