頂刊動態 | EES/Angew等近期有機太陽能電池學術進展【新能源周報第22期】

有機太陽能電池和有機-無機雜化金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池已經被看作是兩個有前途的光伏發電技術，得到了廣大研究者的密切關注。另外，受體材料的研究對于有機太陽能電池也是至關重要的。本期新能源周報帶大家來看看近期關于這些方面的學術進展。

1.Energy Environ. Sci.:基于n型高分子添加劑的高效-穩定有機太陽能電池

圖一 隨溫度變化器件性能的變化

富勒烯體異質結（BHJ）有機太陽能電池（OSC）被視為目前有前途的光伏技術，目前光電轉換效率已經突破10%。然而嵌入的富勒烯聚合物相缺乏形態穩定性，通常被稱為亞穩態，而造成PCE的嚴重損失阻礙其實際應用。因而如何提高有機太陽能電池效率和的穩定性是必要的。

基于此，韓國蔚山科學技術大學的Changduk Yanga（通訊作者）課題組第一個使用n型高分子添加劑P（NDI2OD-T2）取代PTB7系列聚合物作為嵌入層而同時提高和穩定有機太陽能的性能。取得了11.6％的光電轉換效率并提高了其熱穩定性。此外，在無ITO的柔性PET基板上使用H-P（NDI2OD-T2）聚合物獲得了5.66％的光電轉換效率。這項研究具有廣泛的適用性，在加速光伏技術的商業可行性方面潛力巨大。

原文鏈接：The use of n-type macromolecular additive as a simple yet effective tool for improving and stabilizing the performance of organic solar cells?(Energ. Environ. Sci., 2016, DOI: 10.1039/C6EE02255C)

2.Angew. Chem. Int. Ed.:雜硫富瓦烯官能團的吡咯并吡咯二酮富勒烯有機對子構成的單組分高效有機太陽能電池

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圖二 設備配置示意圖和DPP-Ful完整的能級圖

有機太陽能電池（OSC）以其重量輕，機械柔性好，易制造，透明度高，成本效益高等優點已引起學術界和工業界的極大關注。OSC的PCE主要取決于互穿在共混膜的供體和受體的界面處形成的納米尺寸的結構化網絡，其中納米尺寸的結構化網絡作為有效的電荷傳輸載體，同時因聚合富勒烯具有高電子親合能，通常作為受體，所以通過分子設計優化供體單元將極大的提高PCE。

基于此，印度太陽能網絡研究所（CSIR-NISE）和科學創新研究院（AcSIR）的Surya Prakash Singh（通訊作者）課題組設計并只制備了含有雜硫富瓦烯官能團的吡咯并吡咯二酮富勒烯有機對子構成的單組分高效有機太陽能電池，其中含有雜硫富瓦烯官能團的吡咯并吡咯二酮作為供體，C₆₀（富勒烯）作為受體，它們由共價鍵連接在一起。該器件的Voc達到0.663V，Jsc達到6.708 mA cm^-2，FF 達到0.488，并獲得了2.167％的光電轉換效率。該項研究給高效率有機太陽能電池提供了新的設計思路。

原文鏈接: ?An Organic Dyad Composed of Diathiafulvalene-Functionalized Diketopyrrolopyrrole–Fullerene for Single-Component High-Efficiency Organic Solar Cells(Angew. Chem. Int. Ed., 2016, DOI: 10.1002/anie.201602969)

?3.Adv. Energy Mater.：異質結耗盡型粗粒度B-γ-CsSnI₃無鉛鈣鈦礦薄膜太陽能電池

圖三 B-γ-CsSnI₃薄膜的一步法制備及晶粒粗化示意圖

目前鈣鈦礦型太陽能電池以低成本和高效率逐漸成為可再生能源發電技術的突破口。然而，鈣鈦礦電池具有的潛在毒性成為現在主要關切的問題之一。在此，粗粒度的B-γ-CsSnI₃薄膜鈣鈦礦電池以高效的光吸收效率和無鉛特性引起了注意。然而，制備純相的B-γ-CsSnI3吸收層很困難，同時錫空位（V_SN）會破壞B-γ-CsSnI₃結構，從而導致其“金屬化”，并且在以往文獻中很少有基于B-γ-CsSnI₃作為光吸收層的鈣鈦礦太陽能電池的報道。

基于此，布朗大學工程學院的Yuanyuan Zhou 、Nitin P. Padture和南方科技大學的孫小衛（共同通訊）課題組通過旋涂和晶粒粗化的調節并采用最佳的PSC架構制備了一種異質結耗盡型的粗粒度B-γ-CsSnI₃無鉛鈣鈦礦薄膜太陽能電池。相比于之前同類型鈣鈦礦電池，這種平面器件擁有更加優異的電化學性能。該器件的Voc達到0.52V，Jsc達到10.21 mA cm^-2，FF 達到0.625，并獲得了3.31％的光電轉換效率，同時具有更好的熱穩定性。這項研究為未來制備高性能的無鉛鈣鈦礦電池提供了重要指導。

原文鏈接: ?Heterojunction-Depleted Lead-Free Perovskite Solar Cells with Coarse-Grained B-γ-CsSnI3 Thin Films?(Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/aenm.201601130)

?4.Adv. Energy Mater.:應用于有機鈣鈦礦太陽能電池受體和陰極緩沖層材料的富勒烯衍生物

圖四 陰極緩沖層的器件結構

有機太陽能電池（OSC）和有機-無機雜化金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池（pero-SCs）已經被看作是兩個有前途的光伏發電技術。在最新的報道中其能量轉換效率分別已經超過10％和20％。富勒烯衍生物作為受體和陰極緩沖層材料在其中扮演著重要角色，但是在以往文獻中報道很少。

基于此，蘇州大學的李耀文和李永舫（共同通訊）課題組提供最近關于富勒烯衍生物作為受體和陰極緩沖層材料的有機鈣鈦礦型太陽能電池的全面概述。富勒烯衍生物有很獨特的物理化學性質，有很強的電子親和能，能夠很好的提高電子遷移率，通過界面修飾調節激子擴散長度，能夠顯著提高器件的光電性能和穩定性。本項研究工作表明富勒烯衍生物在有機太陽能電池和有機-無機雜化鈣鈦礦型太陽能電池領域的巨大適用性。

原文鏈接：Fullerene Derivatives for the Applications as Acceptor and Cathode Buffer Layer Materials for Organic and Perovskite Solar Cells?(Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/aenm.201601251)

5.Adv. Energy Mater.:耐輻射并可自愈的鈣鈦礦太陽能電池

圖五 鈣鈦礦電池結構橫截面的SEM圖及相關表征圖

目前，有機-無機雜化金屬鹵化物（CH₃NH₃PbI₃）鈣鈦礦太陽能電池顯示出了優秀的器件性能，并且在很短的時間內效率就超過了20%。鈣鈦礦材料可調節的帶隙使它制備出效率很高的多節電池。但是在太空中應用的光伏器件，高能的太空輻射會造成器件內部的晶體缺陷，嚴重削弱了器件的性能，因此制備耐高能輻射的太能電池很有必要。

基于此，亥姆霍茲柏林有限公司硅太陽能電池研究所的Felix Lang(通訊作者) 課題組設計并制備了反型鈣鈦礦太陽能電池，其結構為：glass/ITO/PEDOT:PSS/CH₃NH₃PbI₃/PCBM/BCP/Ag，這成功避免了J-V特性的滯后效應。在68 MeV的輻照下，鈣鈦礦吸收層可以承受高達10¹² p cm^?2的輻射劑量，其超過c-Si的損傷閾值幾乎3個數量級。此外，當輻照終止后鈣鈦礦層的自愈過程開始并表現為J_SC恢復，10天后與參照裝置相比，該裝置的VOC和FF均顯著增強。具有耐輻射性和自愈能力的CH₃NH₃PbI₃鈣鈦礦電池將在太陽能電池的太空應用領域有很大的前景。

原文鏈接：Radiation Hardness and Self-Healing of Perovskite Solar Cells?(Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201603326)

6.Adv. Energy Mater.：基于聚噻吩衍生物制備的高效無富勒烯聚合物太陽能電池

圖六 基于聚噻吩衍生物的太陽能電池性能表征圖

在過去的幾十年中，富勒烯衍生物，即PC₆₁BM和PC₇₁BM，被廣泛研究并基于此制備出高性能的鈣鈦礦太陽能電池。但由于其在可見光譜中具有相對窄的吸收帶隙，嚴重限制了基于富勒烯衍生物的鈣鈦礦電池的性能。因此尋找一種替代富勒烯衍生物的非富勒烯小分子受體是必要的也是極具挑戰的。

基于此，高麗大學的Han Young Woo和中國科學院化學研究所的侯劍輝（共同通訊）課題組基于聚噻吩衍生物制備出了高效無富勒烯聚合物太陽能電池，該器件的Voc達到0.94V，Jsc達到16.50 mA cm^-2，FF 達到0.6567，并獲得了高達10.16％的光電轉換效率，這也是目前所報道的最高效率。因為該聚噻吩聚合物具有合成容易和良好的穩定性等優點，這項研究在高效低成本鈣鈦礦電池的實際應用領域有很廣闊的前景。

原文鏈接: ?Highly Efficient Fullerene-Free Polymer Solar Cells Fabricated with Polythiophene Derivative?(Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201601803)

7.Adv. Energy Mater.:通過調節小分子電子受體能級實現效率超過12％的聚合物太陽能電池

圖七 PBDB-T, ITIC, IT-M, IT-DM等聚合物的吸收光譜及能級示意圖

在聚合物太陽能電池（PSCs）中，通過化學修飾的方法調節光伏材料的電子軌道能級從而提高太陽能電池的效率非常重要。近年來，非富勒烯（NF）受體由于具備低成本合成的潛力和通過化學修飾就高度可調的性能而備受關注。但是如何精確提高NF-受體的最低空軌道（LUMO）的能級而不妨礙其光學和形態學性質是分子工程上的一項挑戰。

基于此，北卡羅萊納州立大學的Harald Ade和中國科學院化學研究所的侯劍輝（共同通訊）課題組通過合理設計和化學修飾，將甲基修飾在端基（DCI-M和DCI-DM）上而合成了兩個新的分子受體IT-M和IT-DM。基于兩種新的分子受體，制備的器件分別獲得了0.94V和0.97 V的V_OC值。并獲得了最高為12.05％和11.6％的光電轉換效率。這項研究成功證明了精確調節電子受體的能級的對提高聚合物太陽能電池性能至關重要。

原文鏈接：Energy-Level Modulation of Small-Molecule Electron Acceptors to Achieve over 12% Efficiency in Polymer Solar Cells?(Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201602776)

8.Adv. Energy Mater.:結合富勒烯和非富勒烯的受體來協同提高光伏性能的三元共混聚合物太陽能電池

圖八 器件的性能表征圖

過去幾年，三元共混聚合物太陽能電池作為一種新型的共混結構電池，由于其優秀的潛質受到國內外研究學者的廣泛關注。相較于傳統的二元共混聚合物太陽能電池，這種三元共混結構通過擴展光吸收的范圍,從而提高短路電流密度(Jsc)和光電轉換效率(PCE)。然而，基于富勒烯作為受體的器件有著吸收系數低，受體與供體能級不匹配等缺點，且不能被消除。如何解決這些問題是一項巨大的挑戰。

基于此，北京師范大學的徐新軍、薄志山和西安交通大學的馬偉（共同通訊）課題組首次采用包含富勒烯衍生物和非富勒烯小分子的聚合物作為受體制備出了三元共混聚合物太陽能電池。當PPBDTBT:ITIC:PC71BM為1:1.2:0.8時，該器件的Voc達到0.898V，Jsc達到16.82 mA cm^-2，FF 達到0.6826，并獲得最高為10.4%的光電轉換效率（比二元參考器件增強了約35％）。該項研究為快速增強三元共混聚合物太陽能電池的性能方面提供一個有希望的途徑。

原文鏈接：Ternary-Blend Polymer Solar Cells Combining Fullerene and Nonfullerene Acceptors to Synergistically Boost the Photovoltaic Performance?(Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201603588)

本文由材料人編輯部新能源學術組?backsingularity?供稿，點這里加入材料人的大家庭。參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065952”，歡迎關注微信公眾號，微信搜索“新能源前線”或掃碼關注。