上海交大劉烽教授團隊 Nat. Commun.: 全聚合物電池效率突破19%并實現(xiàn)廣角度光吸收
未來光伏建筑/交通一體化下，很難保證光垂直入射，因此實現(xiàn)大接收角的光伏組件是減少光伏組件實際應用中光損失的必經(jīng)之路(如圖1)。全聚合物有著優(yōu)異的穩(wěn)定性，更加適合商業(yè)化應用，然而由于全聚合物電池形貌調(diào)控困難，效率相對類y6類小分子受體較低。開發(fā)具有納米級纖維結(jié)構(gòu)集成在微米尺寸表面拓撲結(jié)構(gòu)中的有機光伏薄膜是一種理想的方案。
圖1 表面陷光形貌的優(yōu)勢
近期，上海交通大學劉烽教授團隊以全聚合物體系PM6:PY-IT為基礎，提出了一套形貌順序調(diào)控策略（DIB/TA/SVA），將全聚合物形貌調(diào)節(jié)難題拆分，逐步優(yōu)化活性層薄膜形貌。順序形貌調(diào)控策略的引入，實現(xiàn)納米尺度纖維結(jié)晶形貌優(yōu)化，促進了激子到載流子的轉(zhuǎn)換。更重要的是，在后處理過程中，高濃度的DIB與活性層薄膜由于模量差異，產(chǎn)生的應力釋放導致表面出現(xiàn)島狀陷光結(jié)構(gòu)。納米纖維供體-受體網(wǎng)絡和微米尺度陷光結(jié)構(gòu)的結(jié)合使效率達到19.06%(經(jīng)認證為18.59%)，這是迄今為止全聚合物太陽能電池的最高效率。此外，微米尺寸的表面結(jié)構(gòu)也有助于大的光接收角，相比于常規(guī)平面結(jié)構(gòu)器件功率增益提高了30%。
GIWAXS的表征結(jié)果表明，與as-cast PM6:PY-IT共混膜相比，DIB和DIB/TA/SVA共混膜的結(jié)晶性得到改善。DIB/TA/SVA共混膜結(jié)晶質(zhì)量的明顯提升，表明相應的處理增強了π-π堆積的有序性。這種變化主要是由TA/SVA處理引起的，TA/SVA處理驅(qū)除了DIB添加劑，誘導了纖維形態(tài)的形成。改進的π-π堆積有利于提升電荷傳輸和減少復合，從而提高了器件的性能。，以1650和2215 cm?1波數(shù)處的紅外吸收分別標定PM6和PY-IT，基于AFM-IR來探測DIB/TA/SVA共混物中的纖維結(jié)構(gòu)，PM6和PY-IT顯示出分辨率良好的互聯(lián)纖維結(jié)構(gòu)，平均寬度約為15 nm，根據(jù)線切割剖面估計，纖維間距離約為30 nm。在納米級雙連續(xù)形貌的頂部為順序加工薄膜的微米級陷光結(jié)構(gòu)，以光學顯微鏡、表面輪廓儀等表征方法證明了活性層表面直徑大約為10個微米的陷光結(jié)構(gòu)存在，如圖2所示。與硅電池類似，島狀陷光結(jié)構(gòu)提供漫反射來減少光學損失以此提高器件性能。圖3為太陽能電池的角度相關(guān)器件性能對比圖。對于DIB/TA/SVA器件，在入射角為50°時，光電轉(zhuǎn)換效率為16.76%。相比之下，as-cast器件在相同入射角下的PCE為11.02%。在這種情況下，可以獲得更高的日間能源產(chǎn)量和更靈活的安裝條件。得到了令人鼓舞的結(jié)果。
圖2 納米尺度纖維結(jié)晶與微米尺度陷光形貌
圖3 微米表面形貌實現(xiàn)廣角度光吸收
該工作以“具有納米/微米分級結(jié)構(gòu)和廣角光接收的全聚合物有機太陽能電池”（All-polymer organic solar cells with nano-to-micron hierarchical morphology and large light receiving angle）為題發(fā)表在《nature communication》上（Nat. Commun. 14, 4148 (2023)）。化學化工學院博士生曾瑞、博士后研究員朱磊為論文第一作者，上海交通大學劉烽教授為通訊作者。上海交通大學化學化工學院、變革性分子前沿科學中心、物質(zhì)科學原位中心、氫科學中心為第一完成單位。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-39832-4
