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三元有機太陽能電池效率可達17.22%!

2020-03-18 10:56  來源:中國科學雜志社  瀏覽:  

近年來,三元策略在提高有機太陽能電池性能方面已展露出很大的潛力,成為有機光伏領域的研究熱點。張福俊教授課題組長期專注于三元有機光伏器件物理方面的研究,提出了研究三元體系中激子和載流子動力學的新方法、新手段,以及理解合金模型的微觀機制。近期,該課題組基于PM6:Y6:MF1體系成功制備出效率為17.22%的三元器件,在中國計量科學院的驗證效率為16.8%。此工作已經以Articles形式發表在Science Bulletin上。

該工作系統研究了MF1摻雜比例對三元器件光伏參數的影響。隨著MF1摻雜比例的增加,器件的短路電流先升高后降低;開路電壓逐漸升高;填充因子先升高后降低再升高。器件短路電流的升高主要歸因于有源層光子俘獲和形貌的優化。逐漸增大的開路電壓表明:MF1和Y6形成了類合金態,即分子間激發態能級簡并,MF1和Y6良好的兼容性是形成類合金態的前提條件。作者利用Raman mapping,接觸角和GIWAXS實驗證明MF1和Y6具有較好的兼容性。從其Raman mapping的圖像中,能夠直觀地觀察到MF1在有源層中的分布情況。藍色,紅色和黃綠色區域分別表示混合膜中的PM6,Y6和MF1。從三元Raman mapping的圖像中能夠觀察到大多數黃綠色斑點嵌入到紅色區域,表明在三元混合薄膜中MF1更傾向于與Y6混合形成類合金態。填充因子的變化主要歸因于雙受體材料較好的兼容性和不同的LUMO能級。由于MF1的LUMO能級高于Y6,當MF1在受體中的比例為10 wt%時,MF1和Y6上產生的電子能夠沿著較低的混合LUMO能級傳輸。當MF1的含量增加到50 wt%時,有源層中會形成大量的電子陷阱,導致器件電子遷移率和填充因子的降低。當MF1的含量為10 wt%時,三元器件的效率達到最優17.22%,其短路電流為25.68 mA cm 2,開路電壓為0.853 V,填充因子為78.61%。相較于PM6:Y6二元器件,最優三元器件的短路電流,開路電壓和填充因子均得到了提升。

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