有機光伏電池(OSCs)以其輕薄、柔性、可印刷等優勢,在過去幾年中吸引了廣泛的關注,被認為是下一代光伏技術的理想選擇。然而,OPVs 的效率和穩定性仍然落后于傳統硅太陽能電池。
實現低成本和印刷友好的 OSCs 制備,需要采用具有簡單結構的光活性分子的厚膜器件。因此,對于非稠合環受體材料,如何在較厚的器件中實現高能量轉換效率 (PCE),具有重大意義。
香港理工大學李剛教授團隊近期取得重大突破,他們利用順序沉積 (SD) 方法,成功將 D18:A4T-16 有機活性層的效率從傳統的混合澆注方法的 8.02% 提升至 14.75%,該器件厚度達到 300 納米。 這一研究成果發表在國際頂尖期刊《Advanced Energy Materials》上。
【突破的關鍵:順序沉積 (SD) 方法】
傳統的混合澆注方法,將供體材料和受體材料溶解在一起,然后通過旋涂的方式制備活性層。這種方法會導致材料混合不均勻,形成無序的分子堆積,進而影響器件的效率。
李剛教授團隊創新性地採用了順序沉積 (SD) 方法。該方法首先將供體材料 (D18) 沉積在基底上,形成一層薄膜,然后在上面沉積受體材料 (A4T-16),最終形成具有良好分子排列的活性層。
SD 方法的優勢:
l 有效促進供體和受體材料的互穿,改善形貌控制: SD 方法可以有效促進供體和受體材料的互穿,形成更理想的相分離結構,有利于激子的解離和電荷傳輸。
l 實現垂直分層結構: SD 方法可以實現供體材料和受體材料的垂直分層結構,這不僅有利于電荷的收集和傳輸,通過控制每一層的沉積,可以減少界面處的缺陷和不穩定因素,可提高器件的穩定性。
l 提高光電轉換效率:順序沉積方法能夠更好地控制有機層的厚度和形貌,從而優化光的吸收和電荷的傳輸路徑。通過精確控制活性層材料的沉積,能夠有效減少載流子的復合,提升光電轉換效率。
l 材料選擇的靈活性:順序沉積允許使用不同溶劑和溫度條件,因而可以選擇更多樣化的材料組合。這使得研究人員能夠嘗試不同的材料體系,從而找到最佳的組合來提升電池性能。
l 便于規模化生產:該方法相較于傳統的濕法涂覆技術,更加適合于大面積均勻膜的制備,有利于有機太陽能電池的規模化生產。這對于實際應用中的生產成本控制和工藝一致性具有重要意義。
【Enlitech 設備的重要性】
光焱科技 (Enlitech) 的 SS-X 太陽光模擬器和 QE-R 光伏/太陽能電池量子效率量測方案在該研究中發揮了關鍵作用。
i. SS-X50 的高精度模擬太陽光譜,為研究人員提供了真實的測試環境,確保測試結果的可靠性。
ii. QE-R 則可以幫助研究人員分析不同波長下器件的光電轉換效率,從而優化器件結構和材料選擇。
【突破性的成果】
i. 采用 SD 方法制備的 D18:A4T-16 器件,在 300 納米、500 納米和 800 納米厚度下都展現出 FoM-X 值,這表明該器件在較大厚度下也能保持良好的性能。
ii. 研究團隊定義了一個新的指標來強調厚膜器件的性能,稱為 "FoM-X"。該指標可以更好地評估非稠合環受體材料在厚膜器件中的性能,為該領域的研究提供了新的評價標準。
【未來展望】
鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)和有機太陽能電池(OSCs)各有優勢和不足。PSCs具有較高的光電轉換效率,但面臨穩定性和環保方面的挑戰;OSCs的制備簡單、成本低、環保性好,在空氣中的操作穩定性較好,但效率較PSCs略低。未來的研究和發展將繼續在提高效率、穩定性和降低成本方面進行優化。
透過幾個面向來觀察未來可發展的優化模式:
i. 開發新型材料: 于新型受體及高性能給體材料,從而提高光電轉換效率和更好穩定性。
ii. 界面工程: 修飾界面層來減少界面處的缺陷和非輻射復合外,開發新的界面層材料,改善電荷傳輸和減少能量損失。
iii. 優化制備工藝: 如李剛教授團隊的突破性順序沉積改進研究成果,並為其大面積化和穩定性提升提供了有效策略。持續改進順序沉積工藝,如沉積條件、溶劑選擇、層厚控制等,以實現更好的形貌和性能。
iv. 封裝和穩定性: 開發更有效的封裝技術,防止水氧侵入,提高器件的長期穩定性;及抗環境穩定性材料,延長有機太陽能電池的使用壽命。
v. 多層結構設計: 通過不同層的材料組合,進一步提升光吸收和電荷分離效率。另外,漸變結構,實現更有效的光捕獲和電荷傳輸。
vi. 結合智能化制造技術: 利用噴墨打印、刮刀涂布等先進制造技術,降低生產成本并提升制造精度。運用機器學習和人工智能技術,優化材料組合、工藝參數和器件設計。
【圖文解讀】
Figure 3. 光伏效能:通過混合鑄造和 SD 工藝處理的 D18:A4T-16 系統的器件參數變化。
Table 1. 器件效能
。
Figure 6. a) eC9 的化學結構。 b) J-V 曲線和 c) 基于 D18:A4T-16 和 D18:eC9 的 SD 型器件的 EQE 光譜。
原文出處: ADVANCED ENERGY MATERIALS