曹镛：化学结构微调控实现1 cm2高效有机太阳电池

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有机太阳电池制备成本低、光/电特性易调节、可实现半透明以及可制成大面积柔性器件，具有巨大的商业开发价值和应用前景。然而，受限于有机混合薄膜的形貌均一性，目前高效的OPV器件只能在很小的有效辐照面积（< 0.05 cm2）时才能实现。但是该类电池器件的输出功率很小，在实际应用中需要通过聚光设备对辐射源进行聚光才能获得较高的输出功率，而聚光设备的高精度要求将会限制此类聚光型电池的普遍应用。

针对目前非聚光型（≥ 1 cm2）OPV器件发展缓慢的科学难题，最近，华南理工大学的曹镛院士团队与德国爱尔兰根-纽伦堡大学的Christoph J. Brabec教授团队合作，从聚合物给体材料的化学结构微调控着手，开发了一系列新型宽带隙给体，并研究了其光谱特性、电学能级、以及聚集特性的差异与规律。通过筛选最佳的给/受体组合，在1 cm2非聚光型器件中获得12.25%光电转换效率，该效率经过独立机构认证，是目前报道的1 cm2单节有机光伏器件的最高效率。且该体系具有优异的长期稳定性，在1 sun连续光照近1100 h仍能维持93%的器件效率。通过形貌等相关分析，证实了该体系优异的大面积器件性能及良好的稳定性主要来源于较好的组分相容性和混合膜均一性。最后，通过能量损失分析，指出因降低带隙产生的Shockley-Queisser开路电压损失（VOC, SQ）和因非辐射复合产生的开路电压损失（ΔVOC, nr）对不同体系的开路电压实验值差异起决定性作用，且电荷转移（CT）态的存在及能量高低对ΔVOC, nr具有较大影响。能量损耗的分析指出在材料设计过程中能级匹配的重要性，在降低带隙获得更好的光谱吸收的同时需要注意避免ΔVOC, nr的增加。该工作于2018年10月22日发表在Nature Energy上，文章第一作者为樊宝兵博士，通讯作者为华南理工大学的应磊研究员、黄飞教授，以及爱尔兰根-纽伦堡大学的李宁博士。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41560-018-0263-4