柔性太阳能电池的功率转换效率显著提高！ 2023-09-27

最近，中国科学院青岛生物能源与生物过程技术研究所(QIBEBT)的研究人员对三元有机太阳能电池(TOSC)的材料进行了改良，使其达到了与传统太阳能电池类似的效率。该研究成果发表在《先进材料》(Advanced Materials)杂志上。

有机光伏太阳能电池(OSC)是一种利用有机材料(通常是小分子或聚合物)将太阳光转化为电能的太阳能电池，而传统的无机太阳能电池则采用晶体硅或其他无机材料。

有机太阳能电池的主要优点之一是用途广泛、重量轻。利用喷墨打印等基于解决方案的技术，它们可以以较低的成本制成柔性卷筒而非刚性面板，因此适用于传感器、便携式充电器和可穿戴电子设备等多种应用。OSC 还可以是半透明或彩色的，因此可以美观地融入建筑物、窗户和其他结构中。

另一方面，与无机太阳能电池相比，开放式晶体管的功率转换效率(PCE)较低。TOSC 有助于改善这一问题。标准的二元有机太阳能电池由一种供体材料和一种受体材料组成，而 TOSC 与之不同，它有第三种被称为 "客体 "的成分。

加入这种客体成分是为了提高太阳能电池的不同性能，例如改变电池的内部能量通量和优化电池将光转化为电能的方式。

客体成分对增加 PCE 尤为重要，它可以进一步拓宽可吸收光的光谱。通过选择能在供体或受体未覆盖的区域吸收光线的客体材料，可提高电池对阳光的整体吸收能力。同时，还可以对混合薄膜的形态进行微调，即对激子解离、电荷产生和传输进行微调。

鉴于客体成分可能执行多种不同的活动，其在太阳能电池 "夹层 "或矩阵中的精确位置会对性能产生重大影响。

有三种可能的位置：浸入供体材料中、嵌入受体材料中，或以某种方式分散在供体和受体界面上，从而产生类似合金的混合结构(聚集体)。然而，直到最近，人们对客体成分位置的实验考虑相对较少。

三元组分活性层中嵌入的主机/客体“合金”聚集图示。

在研究中，研究人员在 TOSC 中使用了一种名为 LA1 的客体成分(在结晶度方面与其他客体成分材料有所不同)。LA1 是一种小分子受体，研究人员用苯基烷基侧链对其进行了改性--这种官能团(分子中的一组原子，具有自身的一系列特性)通常用于制造光伏系统中使用的有机材料。

将 LA1 改为苯烷基侧链后，既增加了结晶度和排列，又保持了足够的兼容性，从而提高了 TOSC 的性能。

此外，研究人员还通过改变影响与主成分相互作用的变量(如主/客体相容性、表面能、结晶动力学和分子间相互作用)来控制客体成分的分布。他们在大多数客体分子中发现了类似合金的聚集体，这些聚集体渗入并扩散到整个宿主分子中。

这些集成主/客体 "合金 "的结晶尺寸可以很容易地进行微调，以增强电荷传输和抑制电荷重组。因此，研究人员最初能够将 PCE 提高 15%以上，随后通过将客体成分与 Y6 系列受体作为主成分相结合，实现了超过 19% 的更大效率提升。

研究人员认为他们已经取得了重大的实验成功，但对这些优势的理论驱动因素却不甚了解。研究人员希望今后能更好地了解这些基本系统。