南开硕士发Science,陈永胜团队和国家纳米中心丁黎明团队刷新有机光伏电池纪录!
晴天 纳米人 2018-08-10

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第一作者:孟令贤

通讯作者:陈永胜、万相见、丁黎明

通讯单位:南开大学、国家纳米科学中心

 

研究亮点:

      发展了一种叠层有机太阳能电池,以17.29%的认证效率刷新有机OPV纪录!

 

自1958年第一个有机太阳能电池诞生以来,如何提高其光电转换效率是始终困扰科学家的关键难题。十年来,虽然有机太阳能电池的效率已经从5%提高的14%左右,但是,和其他各种光伏电池技术中,有机光伏电池的效率低下依然是一个短板。

 

从基础研究的角度来讲,一个根本的原因就在于有机材料的电荷迁移率低,导致活性层厚度的限制,光吸收效率不足。叠层有机太阳能电池是目前提高效率的最佳策略之一,其主要问题在于:

1)后电池缺乏具有合适禁带宽度的有机材料。

2) 由于吸收重叠或者子电池电流不匹配,造成叠层电池电流不足。

 

有鉴于此,南开大学陈永胜、万相见团队和国家纳米科学中心丁黎明团队联合打造了一种溶液制程的两端叠层有机光伏电池,以17.29%的认证效率刷新了有机太阳能电池的记录!

另外,本文第一作者孟令贤,为南开大学陈永胜课题组2016级硕士研究生,从入学到现在不过两年时间,能做成如此成果,实属不易。


 

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图1. 叠层有机光伏电池的性能

 

研究人员基于研究经验和理论模型的预测相结合,精挑细选了一种非富勒烯分子COi8DFIC作为后电池活性材料。这种分子的近红外光吸收起始波长为1100nm 左右,而且单结电池具有优异的FF 和EQE值。前电池活性层选取PBDB-T作为供体,F-M作为受体,以实现对后电池电流和光吸收的最佳匹配。

 

研究表明,所设计的叠层有机太阳能电池具有高达17%以上的光电转换效率,而且稳定性优异,在经过166天连续测试后,性能损失仅为4%。

 

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图2. 预测叠层OPV效率(AM 1.5G)

 

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图3. 后电池活性材料分子结构及其单结电池性能

 

总之,这项研究为OPV的基础研究提供了新的借鉴,为大规模商业应用带来了新的动力和信心!

 

参考文献:

LingxianMeng, Xiangjian Wan, Liming Ding, Yongsheng Chen et al. Organic andsolution-processed tandem solar cells with 17.3% efficiency. Science 2018.

DOI:10.1126/science.aat2612

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

 

团队介绍:

 

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陈永胜

 

陈永胜教授自2003年起任天津市特聘教授,南开大学特聘教授,南开大学纳米科学与技术研究中心主任。

 

陈永胜教授至今已发表SCI论文280余篇,其中在包括Science,Nature, Nature Photon., Nature Commun., Acc. Chem. Res., J. Am. Chem. Soc.,Nano Lett., Adv. Mater.期刊上发表40余篇,并有40余篇入选ESI高被引论文(top1%),5 篇论文入选“中国百篇最具影响国际学术论文”,总引用数>35000次,H因子87(2018年3月,GoogleScholar),2014-2017年连续入选汤森路透集团全球高引用科学家名录,目前担任《Carbon》、《中国科学-化学》、《中国科学-材料》《化学学报》、《2D Materials》、《Energy Storage Materials》等期刊的编辑或编委。

 

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陈永胜团队长期致力于叠层有机光伏电池的研究。早在2016年,陈永胜团队与华南理工大学研究团队等合作,以在可见和近红外区域具有良好互补吸收的BDT类寡聚分子和卟啉类小分子材料分别作为前电池和后电池的给体材料,采用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器件。经过工艺优化,最终实现了12.7%的验证效率。Nature Photonics 2017, 11, 85–90

 

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万相见

 

万相见,南开大学教授,国家优秀青年基金获得者, 南开大学百名青年学术带头人。

 

主要研究方向为有机光电功能材料设计、合成,有机太阳能电池。发表包括Nature Photon,Acc Chem Res,Adv Mater, JACS等论文90余篇,论文被引4000余次,申请专利7项,授权3 项,出版专著(章节)2 部。

 

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丁黎明

 

丁黎明,中科院“百人计划”研究员,博士生导师。1988年安徽大学高分子科学学士学位,1993年中科院长春应用化学研究所高分子科学硕士学位,1996年中国科技大学高分子科学博士学位(长春应化所联合培养)。自1998年,先后在瑞典Link?ping大学,斯德哥尔摩大学,美国麻省大学Amherst分校(美国国家高分子研究中心),美国Wright-Patterson空军基地,美国Argonne国家实验室从事科学研究。合作过的教授有:Olle Ingan?s院士,Frank Karasz院士,TomRussell院士,董绍俊院士,汪尔康院士等。

 

曾在全球第一家聚合物太阳电池公司Konarka公司总部工作,为资深科学家(公司首席科学家为2000年诺贝尔化学奖得主Alan Heeger)。2000-2010在美国工作。2010年加入国家纳米科学中心(“百人计划”引进)。丁黎明小组研究一直聚焦第三代太阳电池,包括钙钛矿太阳电池和体异质结太阳电池。在国际重要期刊EES, Adv. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., Nano Energy, Adv. Funct.Mater., Adv. Electron. Mater., Small, Nanoscale, Chem. Commun., J. Mater. Chem.A, Org. Lett., Macromolecules, APL, Adv. Mater., Adv. Energy Mater.上发表研究论文126篇。有8项太阳电池专利。


 5年来,丁黎明小组在太阳电池领域有重要突破:

1.发明系列稠环给体/受体构筑单元,单节有机太阳电池效率突破14%, 为世界纪录 (Science Bulletin 2017, 62, 1562-1564.)。

2.采用新的定位合成手段制备异构纯富勒烯受体,效率8.11%,为二加成富勒烯受体世界纪录(Energy Environ. Sci.2016, 9, 2114-2121.)。

3.发明新方法改善钙钛矿结晶和形貌,填充因子达80.11%,曾是世界纪录(Nanoscale 2014, 6, 9935-9938.)。

4.首次将BHJ植入钙钛矿太阳电池,显著拓展光响应,是钙钛矿太阳电池领域一重要发明(J.Mater. Chem. A 2015, 3, 9063-9066.)。

5.采用狭缝涂布和卷对卷工艺印刷制备钙钛矿太阳电池,效率分别达 15.57%和11.16%,均是目前世界纪录(Nano Energy 2018,46,185-192.)。

 

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