南開大發(fā)展了一種疊層有機太陽能電池，以17.29%光電轉(zhuǎn)化效率刷新世界記錄

時間:2018-08-14 14:16來源:南開大學(xué) 作者:南開大學(xué)
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有機太陽能電池的柔性特征和該工作主要結(jié)果

       南開大學(xué)陳永勝教授團隊和中科院國家納米科學(xué)中心丁黎明研究員等合作在有機太陽能電池領(lǐng)域研究中獲突破性進展。他們設(shè)計和制備的具有高效、寬光譜吸收特性的疊層有機太陽能電池材料和器件，實現(xiàn)了17.3%的光電轉(zhuǎn)化效率，刷新了目前文獻報道的有機/高分子太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率的世界最高紀錄。這一最新成果讓有機太陽能電池距離產(chǎn)業(yè)化更近一步。
 
       該研究的論文在線發(fā)表于國際頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）上。
 
       有機太陽能電池是解決環(huán)境污染、能源危機的有效途徑之一，其在質(zhì)輕、柔軟、半透明、可大面積低成本印刷、環(huán)境友好等方面都遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)太陽能電池，被認為是具有重大產(chǎn)業(yè)前景的新一代綠色能源技術(shù)。然而，實現(xiàn)高效率的太陽能電能轉(zhuǎn)化是有機太陽能電池研究的核心難題。雖然近年來有機太陽能電池研究獲得了迅猛發(fā)展，實現(xiàn)了14%~15%的光電轉(zhuǎn)化效率，但仍遠遠落后于其它主要以無機材料（如硅）為主的太陽能電池轉(zhuǎn)化效率。
 
      “主要原因在于，有機高分子材料本身較低的載流子遷移率限制了活性層厚度，因此太陽光不能夠獲得充分和有效的利用。”陳永勝教授說。
 
      據(jù)介紹，疊層太陽能電池不僅可以克服上述難題，還可以充分發(fā)揮有機和高分子材料結(jié)構(gòu)和性質(zhì)優(yōu)良的可調(diào)性特征，通過疊層電池中前后電池中活性材料互補的光吸收，更有效地利用太陽光，從而實現(xiàn)更高的能量轉(zhuǎn)換效率。

疊層有機光伏電池的性能

       陳永勝教授團隊與中科院國家納米科學(xué)中心丁黎明研究員、華南理工大學(xué)葉軒立教授研究團隊合作，首先利用半經(jīng)驗?zāi)Ｐ�，從理論上預(yù)測了有機太陽能電池實際可以達到的最高效率和理想活性層材料的參數(shù)要求。在此基礎(chǔ)上，他們以在可見光區(qū)域和近紅外區(qū)域具有良好互補吸收的PBDB-T:F-M和PTB7-Th:O6T-4F:PC71BM分別作為前電池和后電池的活性層材料，采用成本低廉與工業(yè)化生產(chǎn)兼容的溶液加工方法制備得到了高效的有機太陽能墊層器件，獲得了17.3%的驗證效率。
 
預(yù)測疊層OPV效率（AM 1.5G）

 
后電池活性材料分子結(jié)構(gòu)及其單結(jié)電池性能

       該團隊研究人員介紹，依據(jù)該工作提出的模型和設(shè)計原理，結(jié)合有機高分子材料結(jié)構(gòu)的多樣性和可調(diào)性，通過對材料和器件的進一步優(yōu)化，非常有望獲得和無機材料類似的能量轉(zhuǎn)化效率，從而為有機太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化提供有力技術(shù)支撐。
 
       “依據(jù)我們提出的半經(jīng)驗?zāi)Ｐ皖A(yù)測，有機太陽能電池（墊層）的最高轉(zhuǎn)化效率理論上可以達到20%以上。本次工作中，我們同時也對電池的壽命進行了初步試驗，發(fā)現(xiàn)166天實驗后電池效率僅降低4%。未來，我們將繼續(xù)設(shè)計新的材料，在進一步提高能量轉(zhuǎn)化效率的同時，針對電池壽命問題進行系統(tǒng)的實驗，爭取讓有機太陽能電池早日從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用。”陳永勝教授說。
 
      論文第一作者是南開大學(xué)2016級碩士研究生孟令賢，通訊作者是南開大學(xué)陳永勝教授、萬相見教授和國家納米科學(xué)中心丁黎明研究員。該研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、天津市科委和南開大學(xué)的項目支持。
 
論文鏈接：
http://science.sciencemag.org/content/early/2018/08/08/science.aat2612?rss=1

(責(zé)任編輯：王杰)
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