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非富勒烯太阳能电池发展现状(二)

供稿人:汪逸丰  供稿时间:2019-6-5   关键字:非富勒烯  国际研究机构  国内研究机构  太阳能电池  

主要研究机构及近期进展

(一)国外

非富勒烯聚合物太阳能电池是目前国际太阳能电池界的前沿领域,近期,美国、德国、英国、韩国等科学家在此领域都取得了一定进展。

2017年中旬,英国帝国理工学院James R. Durrant博士等人选用聚合物给体PffBT4T-2OD以及非富勒烯受体EH-IDTBR,开发了一种无点燃损失的非富勒烯有机太阳能电池,电池的光电转换效率达到了9.5%,并且器件在黑暗85 ℃加热条件下160小时后仅展现出16±4%的损失,而参照试验中的富勒烯体系60小时后效率就损失了73±15%。2018年初,该学院Martin Heeney课题组又用一种新的合成方法合成了烷基链取代的非富勒烯受体C8-ITIC,较烷基苯取代的ITIC具有减小的光学带隙和更好的吸收能力,并且更容易结晶,并且在在给体材料上引入F原子后,制备的PFBDB-T: C8-ITIC的器件,光电转化效率可高达13.2%。同期,美国纽约大学Tandon工程学院的科学家则通过把叫做Squaraine的小分子材料作为结晶剂,促进了供体和受体聚合物(称为PBDB-T)与非富勒烯受体ITIC形成有序的排列,开发出名为FRET太阳能电池,转化效率超过10%。2018年9月,德国埃尔兰根-纽伦堡大学Christoph J. Brabec教授的研究团队从能量转换效率、器件稳定性和合成复杂度三个方面研究了ITIC及其系列衍生物的工业化可行性,以及分子调控对电池寿命的影响,并表明,按照德国南部日平均太阳高峰时段3.3小时来计算,基于ITIC-2F的体系预期使用寿命可接近10年,相关成果发表在《Joule》杂志上。韩国蔚山国立科技大学(UNIST)能源与化学工程学院的教授 Changduk Yang 及其领导的科研团队则成功地使用位于光学活性层中的一种非富勒烯受体,在有机太阳能电池中实现了12.01%的光电转化效率。并且,即使最大测量厚度在300纳米的范围内,这种新的光学活性层仍保持了其初始的光电转化效率,从而进一步推进了有机太阳能电池的商业化。

(二)国内

国内在非富勒烯材料在太阳能电池中的应用研究也较为踊跃,其中,北京大学、中科院化学所等机构在此领域占据了较为领先的地位。

例如,北京大学工学院占肖卫课题组早在2006年就率先在国内开展了非富勒烯受体的研究。2007年,他们发表了中国首篇非富勒烯有机太阳能电池的论文(J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 7246-7247,被引830次),报道了世界上第一个稠环芳酰亚胺高分子受体,拉开了中国科学家进军非富勒烯受体这一挑战性领域的序幕。2015年,占肖卫团队又提出了“稠环电子受体”新概念,创造了氰基茚酮类芳杂稠环电子受体新体系,发明了明星分子ITIC(Adv. Mater., 2015, 27, 1170-1174,被引580次)。其原创性工作引起了国内外同行的广泛关注和跟进,国内外上百个研究组使用他们的ITIC等稠环电子受体。鉴于此,占肖卫与合作者于2018年初在《自然综述材料》发表了题为“Non-fullerene acceptors for organic solar cells”的邀请综述(Nat. Rev. Mater., 2018, 3, 18003)。

中科院化学研究所高分子物理与化学实验室于2013年报道了一种基于二维共轭BDT单元与BDD单元的聚合物(简称:PBDB-T)(Macromolecules 2012, 45, 9611-9617)。此后,该实验室的研究人员采用聚合物PBDB-T与多种非富勒烯受体材料共混制备光伏器件,取得了一系列研究成果。2016年,该实验室侯剑辉课题组进一步将PBDB-T与市售非富勒烯型受体材料ITIC共混构建非富勒烯型聚合物太阳能电池,在小面积器件(13mm2)中取得了创纪录的11.2%的能量转换效率,一举使非富勒烯型聚合物太阳能电池效率达到了富勒烯受体的最好水平,成为当时非富勒烯受体太阳能电池效率最突出的结果之一。2018年,化学所有机固体重点实验室李永舫课题组在p-OS小分子给体材料和全小分子非富勒烯有机太阳电池的研究中取得系列研究进展,使全小分子有机太阳电池的能量转换效率突破了10%。

除了上述两大研究机构外,苏州大学、北京交通大学、南京工业大学、华南理工大学、暨南大学、上海交大、福建物构所、南开大学等也都在加紧研究。2018年初,苏州大学功能纳米与软物质研究院的马万里教授团队使用效率较高的全聚合物太阳能电池体系即PBDB-T作为电子给体、N2200作为电子受体,以及聚合物/小分子体系即PBDB-T作为电子给体、ITIC作为电子受体来进行研究,发现非富勒烯太阳能电池中的全聚合物太阳能电池虽然目前效率还有待提高,但其具有独特的比例稳定性,和优异的热稳定性和耐弯曲特性,在未来制作柔性太阳能电池中更具潜力。北京交通大学张福俊课题组报道了一种新的策略去制备三元非富勒烯太阳能电池,使PCE由二元子电池的10.68%提升至三元子电池的11.60%。暨南大学侯林涛研究员课题组联合林雪平大学张凤玲教授及上海交通大学刘烽教授,采用刮膜印刷技术,制备出转换效率为9.54%的非富勒烯有机太阳电池,将这一体系转移到大面积(2.03cm2)柔性无ITO结构,用刮膜印刷法成功制备出转换效率为7.60%的柔性无铟非富勒烯有机太阳能电池,该效率是201年初大面积柔性非富勒烯太阳电池最高报道效率之一。2018年7月,华南理工大学的叶轩立教授研究团队针对非富勒烯太阳能电池产业化难的问题提出并证实了一种简单有效的策略,克服了空间电荷效应,实现了高效厚膜的非富勒烯有机太阳电池,为以后发展更多更高效的厚膜的有机太阳电池提供一些指导思想,有利加速卷对卷印刷生产有机太阳电池的进程。

参考文献:

1、蒋旭东.基于非富勒烯受体材料的有机太阳能电池器件性能研究[D] . 北京交通大学,2018

2、苏强. 非富勒烯有机受体/共轭聚合物太阳能电池研究[D]. 兰州大学,2016

3、张少青,侯剑辉. 面向非富勒烯型有机光伏电池的聚合物给体材料设计[J]. 物理化学学报,2017,33(12):2327-2338

4、韩杰. 非富勒烯有机太阳能电池研究现状[J]. 电子世界,2018,125-126

5、屈扬坤,周林,肖胜雄. 一个飞速发展的领域:非富勒烯有机太阳能电池受体材料[J]. 上海师范大学学报(自然科学版),2016,45(6):765-773


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