叠层聚合物太阳电池取得接近15%的光伏效率

聚合物太阳能电池(polymer solar cell,简称PSC)是重要的光电转换器件.近年来,基于非富勒烯型电子受体的聚合物太阳能电池(NF-PSC)发展迅速.迄今为止,单结NF-PSC的光伏效率已经达到13%以上,超过了传统的富勒烯型聚合物太阳能电池.相比于单结NF-PSC,叠层NF-PSC有助于克服外量子效率受限和热损耗偏高的问题.然而,叠层NF-PSC的构筑,对于材料的设计要求更高,器件制备的难度也更大,因而发展相对缓慢.最近,侯剑辉等对叠层NF-PSC中的前、后子电池之间的光谱匹配性进行了优化调制,选用窄带隙的PTB7-Th:IEICO-4F作为后电池,宽带隙的J52-2F:IT-M作为前电池,来构建叠层NF-PSC,将光伏效率进一步提升到了14.9%,目前为该领域的最高值.本文将简要介绍NF-PSC的发展概况,评述这一突出的研究成果,总结中国学术界在NF-PSC领域做出的卓越贡献,并展望该领域的广阔前景.     

有机叠层太阳能电池光电转化效率突破17%

有机叠层太阳能电池可以克服单节器件吸光能力和范围有限等问题,是提高有机太阳能电池光伏效率的一个重要策略.最近一项研究采用在可见和近红外区域具有良好互补吸收的子电池,构筑了效率高达17.3%的有机叠层太阳能电池.这一结果表明,经过合适的材料选择与器件构筑,有机太阳能电池有望获得与其他光伏技术电池相当的光伏效率.     

有机物/硅杂化太阳能电池的研究进展

有机/无机杂化太阳能电池既可以兼容无机材料的高稳定性, 高载流子迁移率和成熟的制备工艺, 又可以利用有机材料分子结构的可塑性, 调节光谱吸收以及光学带隙, 以及简便的溶液制作过程, 具有取得高效率低成本太阳能电池的巨大潜力. 硅和有机物在低温下形成的异质结光伏电池吸引了广泛的研究, 目前最高光电转换效率已经达到13.8%. 而采用硅纳米线等纳米结构之后使在几十微米的低纯硅上制备高效太阳能电池成为可能, 柔性硅基底的杂化太阳能电池效率已经超过12%. 本文首先介绍了硅基杂化太阳能电池的结构、工作机理和使用的有机材料, 按硅的结构分为平面硅基和微纳结构硅基杂化太阳能电池, 重点概述了该类电池最近几年的发展状况, 分析了硅的结构、有机材料和制备工艺对器件性能的影响. 最后对众多研究方法进行了归纳总结, 对存在的问题和解决策略提出了展望.     

基于非共价相互作用的非富勒烯受体光伏材料研究进展

有机太阳能电池由于制备简单、成本低,而且易于制备大面积柔性电池,因而受到了研究人员的广泛关注.非富勒烯受体材料因具有合成相对简单、易于纯化、能级和带隙可调等优点,极大地促进了有机太阳能电池效率的提高.基于非富勒烯受体材料的太阳能电池已经成为目前有机太阳能电池的研究热点之一,而具有分子内非共价键相互作用的受体材料是非富勒烯受体体系的重要组成部分.通过引入O、F、N、Se等杂原子,形成分子内非共价键相互作用,可以有效提高非富勒烯受体材料的平面性和电荷迁移率,降低光学带隙并拓宽吸收光谱,从而进一步提高太阳能电池的光伏性能.本文介绍了近几年来基于分子内非共价键相互作用的聚合物和小分子非富勒烯受体材料的研究进展,并展望了其发展趋势和应用前景.     

基于p型光电极的染料敏化太阳能电池研究进展

基于p型光电极的染料敏化太阳能电池是一种受到广泛关注的新型太阳能电池。根据电池的结构不同可以将其分为p型和p-n叠层型染料敏化太阳能电池。其中p-n型叠层染料敏化太阳能电池的理论光电效率可以达到43%,高于传统的基于n型TiO_2光阳极的染料敏化太阳能电池理论效率(30%),引起了科学界的高度关注。本文将总结基于p型光电极染料敏化太阳能电池(p型和p-n型叠层器件)的研究成果,重点介绍用于p型和p-n型叠层染料敏化太阳能电池的电极材料,染料及电解质的研究进展;同时总结目前该类电池发展中亟需解决的问题以及进一步提高器件效率的途径。     

新型给体-受体型聚合物的合成及其在本体异质结聚合物太阳能电池中的应用

设计、合成了侧链含有强吸电结构的丙二酸二丁酯受体单元与苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩给体单元交替共聚物PBDTDT,研究了其热学、光学、电化学性质以及与受体PC71BM([6,6]-苯基C71丁酸甲酯)共混作为活性层制备成本体异质结聚合物有机太阳能电池的光伏性质,考察了PBDTDT与PC71BM不同比例时的光伏性能,当聚合物PBDTDT和PC71BM质量比为1∶3制备的器件,其开路电压达到了0.82 V,能量转换效率(PCE)为0.90%,短路电流为3.25 mA/cm2,填充因子FF为0.338,同时将其与同等工艺制备的poly(3-hexylthiophene)(P3HT)太阳能电池的光伏性能进行比较,相同工艺下制备的P3HT电池的开路电压仅为0.55 V,由PBDTDT制备的电池开路电压比P3HT电池的开路电压高出0.29V,同时分析了PBDTDT能量转换效率较P3HT低的原因.     

提升基于钙钛矿的叠层太阳能电池稳定性的策略（英文）

近年来,基于有机无机金属卤化物钙钛矿的叠层太阳能电池引起了巨大的研究热潮。但是,不稳定性限制了其商业化。适用于顶部子电池的宽带隙钙钛矿存在相不稳定性,而适用于底部子电池的窄带隙钙钛矿存在空气不稳定性。首先,我们总结了提升基于钙钛矿的叠层太阳能电池稳定性的最新进展。然后,我们系统地分析了导致宽带隙钙钛矿的相不稳定性和窄带隙钙钛矿的空气不稳定性的原因,并为解决这些不稳定性问题总结了合理的策略。我们也简短地总结了中间层带来的不稳定性以及相应的解决措施。最后,我们回顾了钙钛矿材料固有的本征不稳定性和相应的改进方法,这对于将来发展更稳定的叠层太阳能电池中是必要的。我们认为随着对钙钛矿子电池的理解越来越深入,基于钙钛矿的叠层电池特别是钙钛矿/硅叠层电池将会迅速商业化。     

提升基于钙钛矿的叠层太阳能电池稳定性的策略

近年来,基于有机无机金属卤化物钙钛矿的叠层太阳能电池引起了巨大的研究热潮。但是,不稳定性限制了其商业化。适用于顶部子电池的宽带隙钙钛矿存在相不稳定性,而适用于底部子电池的窄带隙钙钛矿存在空气不稳定性。首先,我们总结了提升基于钙钛矿的叠层太阳能电池稳定性的最新进展。然后,我们系统地分析了导致宽带隙钙钛矿的相不稳定性和窄带隙钙钛矿的空气不稳定性的原因,并为解决这些不稳定性问题总结了合理的策略。我们也简短地总结了中间层带来的不稳定性以及相应的解决措施。最后,我们回顾了钙钛矿材料固有的本征不稳定性和相应的改进方法,这对于将来发展更稳定的叠层太阳能电池中是必要的。我们认为随着对钙钛矿子电池的理解越来越深入,基于钙钛矿的叠层电池特别是钙钛矿/硅叠层电池将会迅速商业化。     

宽光谱太阳能电池

太阳能电池的光谱响应特性和光电转换效率与光伏材料的微观能带结构及其宏观组装方式密切相关。无论使用哪种光伏材料,普通单结或单层太阳能电池都只能对部分波段的太阳光进行有效利用。宽光谱研究的目标是要使太阳能电池更好地利用太阳光谱所覆盖的全部波段范围的能量,从而提高太阳能电池光电转换效率。本文从化学角度综述了实现宽光谱太阳能电池的基本方法和当前的研究进展,其中包括叠层太阳能电池、中间带太阳能电池、量子点太阳能电池、热光伏太阳能电池、上转换和下转换、分子基柔性太阳能电池等方法。     

含二噻吩并[3,2-b:2',3'-d]氧膦杂环戊二烯共轭聚合物的合成及其在薄膜晶体管和体异质结太阳能电池中的应用

采用Stille缩聚反应,合成了3,5-二烷基-二噻吩并[3,2-b:2',3'-d]氧膦杂环戊二烯与二联噻吩的共聚物P1和P2,系统研究了它们的热性能、电化学性质和光物理性质.结果表明,这2个聚合物具有良好的热稳定性,热分解温度均大于400℃;薄膜的最大吸收峰位于590 nm,光学带隙为1.76 eV.将P1和P2作为活性层制备了薄膜晶体管和体异质结太阳能电池,发现带有较长烷基链的P2的器件性能较好.在底栅、顶接触结构的薄膜晶体管中,P2的空穴迁移率最高达到0.0077 cm2V-1s-1;在AM 1.5 G 100 mW/cm2光照条件下,P2的光伏电池的开路电压为0.68 V,短路电流为7.9 mA/cm2,填充因子为52%,能量转换效率为2.8%.     

基于卟啉小分子给体与双组分富勒烯受体的高效三元有机太阳能电池（英文）

最近,有机太阳能电池中三元策略的出现使得高能量转化效率和简便的器件制备方式有望同时实现.大量实验证明,通过构造三元有机太阳能电池可以实现吸光互补以提高电流或者在能级间形成级联以提高开压.设计并合成了以并噻吩取代卟啉为核,通过炔键连接二酮吡咯并吡咯末端基团的新分子,命名为DEP-TT,该分子有较小的能带间隙(1.31 eV),光谱吸收可达898 nm.以该卟啉分子为给体,富勒烯PC71BM为受体制备双组分有机太阳能电池,效率可达7.46%,但开压相对较低(0.75 V).进一步研究发现,加入10%的富勒烯衍生物ICBA制备三元有机太阳能电池,效率可增大至8.15%,这是基于卟啉小分子为给体的有机太阳能电池取得相对较高效率的器件之一.由于PCBM和ICBA两组分间形成级联能级和协同作用,器件效率明显提高,这意味着三元有机太阳能电池的构建可以同时提高开压和电流,从而实现器件效率的全面提高.     

有机光伏材料的分子设计与器件性能研究

有机太阳能电池具有重量轻、柔性、半透明等突出优点,是新一代光伏技术的重要发展方向.有机光伏材料是有机太阳能电池的核心,决定着器件的能量转换效率.因此,发展合理的分子设计策略制备高效有机光伏材料是提升有机太阳能电池效率的关键.本文总结了有机光伏材料的研究进展,着重阐述烷硫基侧链策略在调控给/受体材料能级、提升光伏性能方面...     

通过氯化铵与水分协同辅助钙钛矿结晶制备高效可印刷介观太阳能电池

<正>钙钛矿半导体材料CH_3NH_3PbX_3(X=Cl,Br,I)具有光吸收强、载流子迁移率高、带隙可调、可溶液加工等特点,是制备太阳能电池的理想材料。在过去几年中钙钛矿太阳能电池获得了飞速发展,其公证光电转换效率已高达22.1%,超过了光伏市场上占主导地位的多晶硅太阳能电池最高公证效率1,显示出良好的发展潜力及应用前景,     

引入液晶小分子实现高效厚膜三元有机太阳能电池

<正>有机聚合物太阳能电池因其具有全固态、光伏材料性质可调范围宽、可实现半透明、可制成柔性器件以及可采用卷对卷印刷工艺大面积、低成本制备等突出优点而引起了广泛关注并得到了快速发展~(1,2)。其中三元有机太阳电池作为一种有效提高电池器件效率的办法也成为有机聚合物太阳能电池研究中的一个热点~3。一般情况下,在三元有机太阳能电池中第三     

高效钙钛矿缺陷态钝化材料及其钝化机理

正有机金属卤化物钙钛矿材料具有可调的直接带隙、高摩尔吸光系数和高载流子迁移率等优异的光电性质~1。基于该类钙钛矿材料的太阳能电池经过短短几年的发展,其能量转换效率几乎能够和传统晶体硅太阳能电池的效率相媲美~2。因此,钙钛矿太阳能电池被研究者们寄予厚望。在电池制备过程中所形成的钙钛矿多晶薄膜往往具有大量的晶界,处于晶界中配位不饱和的卤离子和金属离子会诱导缺陷态的形成~3,从而大     

2D钙钛矿太阳能电池的能带调控

经过短短十年的发展,钙钛矿太阳能电池效率已经超过25%,极具商业化价值,这得益于三维(3D)钙钛矿材料具有合适的带隙、吸光系数高、电子迁移距离长等优点。但3D钙钛矿的稳定性依然是其亟待解决的问题。二维(2D)钙钛矿器件除了兼具3D钙钛矿的优异光电性质之外,其稳定性良好,是解决3D钙钛矿太阳能电池稳定性问题的一个可行方案。2D钙钛矿晶格中的疏水性大烷基胺阳离子能阻止湿气侵入的可能路径,使其成为光电器件的备选材料。由于2D钙钛矿对许多不同的有机和无机成分具有较高的耐受性,使其组成具有多样性,进而影响其能带变化。本文对2D钙钛矿的带隙调控及能带调控进行总结,希望对制备高效、稳定的低维度钙钛矿太阳能电池具有一定的指导意义。     

一种低带隙平面分子结构的聚合物合成

合成了一种给-受体型平面分子结构的低带隙共轭聚合物QP-1(聚[2,6-4,8-双十二烷氧基苯并[1,2-b;3,4-b’]二噻吩-4,7-二[2,5-噻吩]-5,6-二烷氧基-2,1,3苯并噻二唑)),研究了其热学、光物理和光伏性质。由电化学测试得到聚合物的带隙为1.79eV,最高分子占有轨道HOMO和最低分子未占轨道LUMO值分别为-5.47 eV和-3.49 eV。与富勒烯的衍生物PCBM有较为理想的能级匹配水平。使用聚合物/PC71BM共混物作为活性层构筑了本体异质结聚合物太阳能电池。光伏电池的能量转换效率为1.01%,开路电压为0.58 V,短路电流为4.25 mA/cm2,填充因子ff值为0.33。X射线粉末衍射(XRD)结果显示平面主链间的距离为0.365nm,具有较好的结晶性。     

基于p型光电极的染料敏化太阳能电池研究进展

基于p型光电极的染料敏化太阳能电池是一种受到广泛关注的新型太阳能电池。根据电池的结构不同可以将其分为p型和p-n叠层型染料敏化太阳能电池。其中p-n型叠层染料敏化太阳能电池的理论光电效率可以达到43%,高于传统的基于n型TiO₂光阳极的染料敏化太阳能电池理论效率（30%）,引起了科学界的高度关注。本文将总结基于p型光电极染料敏化太阳能电池（p型和p-n型叠层器件）的研究成果,重点介绍用于p型和p-n型叠层染料敏化太阳能电池的电极材料,染料及电解质的研究进展;同时总结目前该类电池发展中亟需解决的问题以及进一步提高器件效率的途径。     

新型噻咯共轭聚合物的合成及其光伏性能

噻咯(silole)是一类含硅的五元环二烯, 具有很好的电子亲和力、独特的聚集态诱导发光性质和优良的电致发光性能. 研究者发现将噻咯结构单元引入分子主链中, 能够获得具有特殊光电性能的聚合物材料. 本工作合成两种2,5位为二噻吩苯并噻二唑的新型噻咯单体, 通过与芴或硅芴双硼酸酯Suzuki偶联聚合, 制备四种主链型D-A(推-拉电子结构)共聚物PF-HSTBT, PF-HOSTBT, PSiF-HSTBT和PSiF-HOSTBT. 研究表明, 四种聚合物具有较好的吸收, 光学带隙均小于1.71 eV. 电化学分析测得四种聚合物的HOMO能级均小于-5.29 eV, 通过光学带隙计算得LUMO能级均高于-3.61 eV. 以四种聚合物分别作为电子给体材料, PC₆₁BM为受体材料, 制备了聚合物太阳能电池器件(PSCs). 由于聚合物PF-HOSTBT、PSiF-HOSTBT中的己氧基空间位阻较大, 分子平面规整性较差, 其最高光电转换效率分别为0.62%、0.83%; 而己基的空间位阻较小, 分子堆积紧密, 聚合物PF-HSTBT, PSiF-HSTBT的光伏性能较优, PSCs的最高光电转换效率分别为1.18%, 1.2%.     

理性调控聚合物给体-非富勒烯受体的混溶性制备高效率有机太阳能电池※

除了非富勒烯受体的设计与合成, 聚合物给体的选择对非富勒烯太阳能电池的光伏性能同样重要. 本工作设计并合成一种共轭骨架无sp³杂化碳原子的新型非富勒受体(命名为MDB), 并将其作为模型化合物研究给受体混溶性和分子有序堆积对太阳能电池性能的影响. 本工作选择三种宽带隙聚合物给体(PM6、J71和P3HT)与MDB共混来制备太阳能电池. 得益于MDB和PM6之间适度的混溶性, 由二者组成的混合膜表现出合适的相分离, “face-on”的分子取向和更紧密有序的分子堆积, 从而促进了载流子传输, 并抑制了电荷复合. 因此基于PM6:MDB的器件实现了13.26%的优异光电转换效率, 远高于基于J71:MDB (8.16%)和P3HT:MDB (0.45%)的器件. 该工作证明了给体-受体之间合适的混溶性是实现高效率有机太阳能电池的关键因素之一, 这对有机光伏材料的设计与合成具有重要指导意义.