有機(jī)太陽能電池(OSCs)具有質(zhì)輕、柔韌、可溶液加工等優(yōu)點(diǎn)，在可穿戴柔性電子、光伏建筑一體化、光伏農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。但OSCs有機(jī)光敏層具有的低介電常數(shù)和內(nèi)置電場導(dǎo)致高激子結(jié)合能和低驅(qū)動力，限制了激子的有效解離，使有機(jī)光伏的電流低于同等帶隙的無機(jī)體系。此外，光熱過程會誘導(dǎo)光敏層的嚴(yán)重自聚集現(xiàn)象，使給受體產(chǎn)生過度相分離而不能形成良好的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步抑制激子解離及輸運(yùn)，導(dǎo)致有機(jī)光伏較差的光熱穩(wěn)定性。因此，如何改善有機(jī)太陽能電池的激子解離效率及光熱穩(wěn)定性已成為高效OSCs 的重要挑戰(zhàn)之一。
圖1 絕緣聚芳醚樹脂提升器件的性能和光熱穩(wěn)定性
針對上述問題，青島能源所包西昌研究員帶領(lǐng)的先進(jìn)有機(jī)功能材料與器件研究組在前期工作基礎(chǔ)上(Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2003654)，進(jìn)一步利用絕緣樹脂調(diào)控有機(jī)太陽能電池研究獲系列進(jìn)展。首先利用聚芳醚與光伏給受體材料的溶解性差異并結(jié)合逐層涂覆方法制備平面異質(zhì)結(jié)OSCs， 該方法不僅提升了光敏層給受體的分子緊密堆積，更改善了電荷復(fù)合和電荷提取能力。最終有機(jī)太陽能電池18.6%的高光電轉(zhuǎn)換效率，且絕緣樹脂在光敏層內(nèi)部形成矩陣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低了材料的自聚集，提高了器件光熱穩(wěn)定性，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在ACS Energy Letters《美國化學(xué)會-能源快報(bào)》。基于此發(fā)現(xiàn)聚芳醚材料均勻分布在光敏層內(nèi)部，發(fā)展了有機(jī)光伏pin概念，增強(qiáng)有機(jī)光敏層的介電常數(shù)和內(nèi)置電場，提高載流子的傳輸與收集效率，結(jié)果發(fā)表在Nano Energy 《納米能源》。以上系列工作揭示了絕緣聚芳醚樹脂材料改善有機(jī)太陽能電池光電性能、光熱穩(wěn)定性及柔韌拉伸性的新機(jī)制，為開發(fā)高效穩(wěn)定有機(jī)太陽能電池提供了新思路。
基于絕緣聚芳醚樹脂材料分別調(diào)控有機(jī)太陽能電池性能和光熱穩(wěn)定性工作中，論文第一作者是韓建華博士；有機(jī)pin概念調(diào)控有機(jī)太陽能電池工作，論文第一作者為博士生張帥，通訊作者為包西昌研究員。上述工作得到了科技部國際合作、國家自然科學(xué)基金、山東能源研究院科研項(xiàng)目的支持。
J. Han, H. Xu, S. Paleti, Y. Wen, J. Wang, Y. Wu, F. Bao, C. Yang, X. Li, X. Jian, J. Wang, S. Karuthedath, J. Gorenflot, F. Laquai, D. Baran, X. Bao, Vertical Stratification Engineering of Insulating Poly(aryl ether)s Enables 18.6% Organic Solar Cells with Improved Stability. ACS Energy Lett., 7, 2022, 2927-2936.
S. Zhang, F. Bi, J. Han, C. Shang, X. Kang, X. Bao, Boosts charge utilization and enables high performance organic solar cells by marco- and micro- synergistic method. Nano Energy, 102, 2022, 107742.
