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  近日，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院陳永勝教授團(tuán)隊在有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域研究中取得突破性進(jìn)展。他們利用寡聚物材料的互補(bǔ)吸光策略構(gòu)建了一種具有寬光譜吸收特性的疊層有機(jī)太陽能電池器件，實現(xiàn)了12.7%的光電轉(zhuǎn)化效率，這是目前文獻(xiàn)報道的有機(jī)/高分子太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率的最高記錄。

  12月5日，介紹該成果的研究論文發(fā)表在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》(Nature Photonics)上。

  有機(jī)太陽能電池以具有光敏性質(zhì)的有機(jī)包括高分子材料作為半導(dǎo)體材料，通過光伏效應(yīng)產(chǎn)生電壓，進(jìn)而形成電流,實現(xiàn)太陽能發(fā)電。其作為解決環(huán)境污染、能源危機(jī)問題的有效途徑之一，在成本低、柔性高、工藝簡單、環(huán)境友好等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)太陽能電池。

  然而，自1958年第一個有機(jī)太陽能電池器件誕生至今，如何提高光電轉(zhuǎn)換效率是始終困擾科學(xué)家的關(guān)鍵難題。這一問題也直接決定著有機(jī)太陽能電池能否走出實驗室，廣泛應(yīng)用于人類的生產(chǎn)生活。

  “作為新興的前沿研究領(lǐng)域，近年來，有機(jī)太陽能電池能量轉(zhuǎn)化效率的大幅度攀升主要得益于光活性層材料的設(shè)計開發(fā)以及器件結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化。”陳永勝說。

圖1 a）給體材料分子結(jié)構(gòu) b）前后電池材料薄膜吸收光譜 c）疊層有機(jī)光伏器件結(jié)構(gòu) d）疊層電池J-V曲線

  多年來，陳永勝團(tuán)隊對有機(jī)光伏器件材料篩選和構(gòu)筑工藝進(jìn)行了深入系統(tǒng)地研究，開發(fā)了一系列可溶液處理的高效率寡聚物型分子活性層材料，并于2015年獲得了超過10%的光電轉(zhuǎn)換效率(J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 3886–3893.)。

  考慮產(chǎn)業(yè)化的要求，使用具有不同光譜吸收范圍的活性材料制備疊層光伏器件是進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)化效率的有效策略之一。基于該思路，團(tuán)隊研究人員以寡聚分子/聚合物分別作為前后電池單元，制備得到了能量轉(zhuǎn)換效率超過11%的疊層有機(jī)光伏器件(Adv. Mater., 2016, 28, 7008–7012.)。

  最近，陳永勝團(tuán)隊與華南理工大學(xué)研究團(tuán)隊等合作，以在可見和近紅外區(qū)域具有良好互補(bǔ)吸收的BDT類寡聚分子和卟啉類小分子材料分別作為前電池和后電池的給體材料，采用與工業(yè)化生產(chǎn)兼容的溶液加工方法制備得到了高效的有機(jī)太陽能器件。經(jīng)過工藝優(yōu)化，最終實現(xiàn)了12.7%的驗證效率(Nature Photon., 2016, published online.)。

  該團(tuán)隊研究人員介紹，根據(jù)相關(guān)設(shè)計原理，通過材料和器件的進(jìn)一步優(yōu)化，器件的各項指標(biāo)包括光電轉(zhuǎn)換效率還有較大的提升空間。預(yù)計在不久的將來，有望獲得15%以上的光電轉(zhuǎn)換效率。

  “下一步，將主要解決電池壽命問題，進(jìn)一步提高能量轉(zhuǎn)化效率。相信有機(jī)太陽能電池從實驗室真正走向?qū)嶋H應(yīng)用，實現(xiàn)商品化生產(chǎn)的夢想在不久的將來會成為現(xiàn)實。”陳永勝說。

  據(jù)了解，該研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、天津市科委和南開大學(xué)的大力支持。

  論文鏈接：http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2016.240.html