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Advanced Materials:取长补短—钙钛矿电池与有机太阳电池的巧妙结合

众所周知,太阳能是一类取之不尽的清洁能源。太阳电池则是一种将太阳能转换为电能的工具。钙钛矿电池是近几年来快速发展的耀眼“明星”,因为其具有带隙可调、可溶液加工、可以制成柔性器件等优良特性,深受全球科研工作者的青睐,其能量转换效率也在几年内超过了20%。

但是人们不难发现:高效的钙钛矿电池体系对光的吸收边局限在800nm左右。为了有效利用近红外光,通常有两种思路:一是改变其配方,比如引入Sn原子,但是这类钙钛矿容易被氧化,稳定性大打折扣。另一种方案是制备叠层器件,但是叠层器件的加工成本大大加倍。有机太阳电池在近十几年的发展中,开发出了一些吸收边可以达到近红外区的材料,如果能将钙钛矿电池的高效率与有机太阳电池中的宽吸收进行取长补短,从而制备一类工艺简单且具有高效率的杂化太阳电池,则很可能突破现有的钙钛矿电池的效率极限。


Advanced Materials:取长补短—钙钛矿电池与有机太阳电池的巧妙结合


近期,美国华盛顿大学Alex K-Y Jen教授课题组与华南理工大学彭小彬教授利用具有近红外吸收的卟啉材料与PCBM混合作为有机太阳电池层,并利用双添加剂对有机太阳电池层进行有效的形貌调控,将其直接覆盖于钙钛矿之上,制备成平面异质结的有机太阳电池-钙钛矿杂化太阳电池。由于有机太阳电池层的近红外吸收,短路电流比参比钙钛矿器件得到了明显提高;而填充因子(FF)及开路电压(Voc)还能保持原有钙钛矿电池器件的高数值。其中Voc的提高,可以利用准费米能级模型来进行解释,而高FF的原因是多重的:一,给受体比例的有效调控;二,双添加对有机太阳电池层的形貌得到了有效微调,其中形成的多维尺度相分离及卟啉材料的结晶起到重要作用,而且添加剂二碘辛烷会作用于PCBM,使得PCBM向上层富集,大量的空穴在向上传输时不会较快复合;三,卟啉材料中的S原子对钙钛矿的缺陷态起到了有效的钝化;四,PCBM的加入,会产生光导作用,这在一定程度上会抑制激子复合。总之,作者利用非常简单的方法(并未改变原有平面异质结钙钛矿电池的加工程序),制备了高效的有机太阳电池-钙钛矿电池杂化电池,取得了超过19%的高光电转换效率。

不难想象,通过有效的选择有机太阳电池层的材料并对其形貌进行有效调控,该类电池完全有可能突破现有钙钛矿电池的效率极限。

论文的第一作者高珂博士在华南理工大学获博士学位,目前在华盛顿大学从事博士后研究。

相关工作发表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.201703980)上。



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