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南开大学陈永胜教授和国家纳米中心丁黎明研究员SCIENCE论文:发展了一种叠层有机太阳能电池,以17.29%的认证效率刷新纪录!
2018-08-10 来源:中国流变网    点击次数:59次    

  南开大学陈永胜教授团队和中科院国家纳米科学中心丁黎明研究员等合作在有机太阳能电池领域研究中获突破性进展。他们设计和制备的具有高效、宽光谱吸收特性的叠层有机太阳能电池材料和器件,实现了17.3%的光电转化效率,刷新了目前文献报道的有机/高分子太阳能电池光电转化效率的世界最高纪录。这一最新成果让有机太阳能电池距离产业化更近一步。

  该研究的论文在线发表于国际顶级学术期刊《科学》(Science)上。

有机太阳能电池的柔性特征和该工作主要结果

  有机太阳能电池是解决环境污染、能源危机的有效途径之一,其在质轻、柔软、半透明、可大面积低成本印刷、环境友好等方面都远远优于传统太阳能电池,被认为是具有重大产业前景的新一代绿色能源技术。然而,实现高效率的太阳能电能转化是有机太阳能电池研究的核心难题。虽然近年来有机太阳能电池研究获得了迅猛发展,实现了14%~15%的光电转化效率,但仍远远落后于其它主要以无机材料(如硅)为主的太阳能电池转化效率。

  “主要原因在于,有机高分子材料本身较低的载流子迁移率限制了活性层厚度,因此太阳光不能够获得充分和有效的利用。”陈永胜教授说。

  据介绍,叠层太阳能电池不仅可以克服上述难题,还可以充分发挥有机和高分子材料结构和性质优良的可调性特征,通过叠层电池中前后电池中活性材料互补的光吸收,更有效地利用太阳光,从而实现更高的能量转换效率。

叠层有机光伏电池的性能

  陈永胜教授团队与中科院国家纳米科学中心丁黎明研究员、华南理工大学叶轩立教授研究团队合作,首先利用半经验模型,从理论上预测了有机太阳能电池实际可以达到的最高效率和理想活性层材料的参数要求。在此基础上,他们以在可见光区域和近红外区域具有良好互补吸收的PBDB-T:F-M和PTB7-Th:O6T-4F:PC71BM分别作为前电池和后电池的活性层材料,采用成本低廉与工业化生产兼容的溶液加工方法制备得到了高效的有机太阳能垫层器件,获得了17.3%的验证效率。

预测叠层OPV效率(AM 1.5G)

后电池活性材料分子结构及其单结电池性能

  该团队研究人员介绍,依据该工作提出的模型和设计原理,结合有机高分子材料结构的多样性和可调性,通过对材料和器件的进一步优化,非常有望获得和无机材料类似的能量转化效率,从而为有机太阳能电池的产业化提供有力技术支撑。

  “依据我们提出的半经验模型预测,有机太阳能电池(垫层)的最高转化效率理论上可以达到20%以上。本次工作中,我们同时也对电池的寿命进行了初步试验,发现166天实验后电池效率仅降低4%。未来,我们将继续设计新的材料,在进一步提高能量转化效率的同时,针对电池寿命问题进行系统的实验,争取让有机太阳能电池早日从实验室走向实际应用。”陈永胜教授说。

  论文第一作者是南开大学2016级硕士研究生孟令贤,通讯作者是南开大学陈永胜教授万相见教授和国家纳米科学中心丁黎明研究员。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、天津市科委和南开大学的项目支持。

  论文链接:http://science.sciencemag.org/content/early/2018/08/08/science.aat2612?rss=1

 
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