有機(jī)太陽(yáng)能電池的柔性特征和該工作主要結(jié)果

南開(kāi)大學(xué)陳永勝教授團(tuán)隊(duì)和中科院國(guó)家納米科學(xué)中心丁黎明研究員等合作在有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域研究中獲突破性進(jìn)展。他們?cè)O(shè)計(jì)和制備的具有高效、寬光譜吸收特性的疊層有機(jī)太陽(yáng)能電池材料和器件，實(shí)現(xiàn)了17.3%的光電轉(zhuǎn)化效率，刷新了目前文獻(xiàn)報(bào)道的有機(jī)/高分子太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化效率的世界最高紀(jì)錄。這一最新成果讓有機(jī)太陽(yáng)能電池距離產(chǎn)業(yè)化更近一步。

該研究的論文在線發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）上。

有機(jī)太陽(yáng)能電池是解決環(huán)境污染、能源危機(jī)的有效途徑之一，其在質(zhì)輕、柔軟、半透明、可大面積低成本印刷、環(huán)境友好等方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池，被認(rèn)為是具有重大產(chǎn)業(yè)前景的新一代綠色能源技術(shù)。然而，實(shí)現(xiàn)高效率的太陽(yáng)能電能轉(zhuǎn)化是有機(jī)太陽(yáng)能電池研究的核心難題。雖然近年來(lái)有機(jī)太陽(yáng)能電池研究獲得了迅猛發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了14%~15%的光電轉(zhuǎn)化效率，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其它主要以無(wú)機(jī)材料（如硅）為主的太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率。

“主要原因在于，有機(jī)高分子材料本身較低的載流子遷移率限制了活性層厚度，因此太陽(yáng)光不能夠獲得充分和有效的利用。”陳永勝教授說(shuō)。

據(jù)介紹，疊層太陽(yáng)能電池不僅可以克服上述難題，還可以充分發(fā)揮有機(jī)和高分子材料結(jié)構(gòu)和性質(zhì)優(yōu)良的可調(diào)性特征，通過(guò)疊層電池中前后電池中活性材料互補(bǔ)的光吸收，更有效地利用太陽(yáng)光，從而實(shí)現(xiàn)更高的能量轉(zhuǎn)換效率。

疊層有機(jī)光伏電池的性能

陳永勝教授團(tuán)隊(duì)與中科院國(guó)家納米科學(xué)中心丁黎明研究員、華南理工大學(xué)葉軒立教授研究團(tuán)隊(duì)合作，首先利用半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑥睦碚撋项A(yù)測(cè)了有機(jī)太陽(yáng)能電池實(shí)際可以達(dá)到的最高效率和理想活性層材料的參數(shù)要求。在此基礎(chǔ)上，他們以在可見(jiàn)光區(qū)域和近紅外區(qū)域具有良好互補(bǔ)吸收的PBDB-T:F-M和PTB7-Th:O6T-4F:PC71BM分別作為前電池和后電池的活性層材料，采用成本低廉與工業(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(yáng)能墊層器件，獲得了17.3%的驗(yàn)證效率。

預(yù)測(cè)疊層OPV效率（AM1.5G）

后電池活性材料分子結(jié)構(gòu)及其單結(jié)電池性能

該團(tuán)隊(duì)研究人員介紹，依據(jù)該工作提出的模型和設(shè)計(jì)原理，結(jié)合有機(jī)高分子材料結(jié)構(gòu)的多樣性和可調(diào)性，通過(guò)對(duì)材料和器件的進(jìn)一步優(yōu)化，非常有望獲得和無(wú)機(jī)材料類似的能量轉(zhuǎn)化效率，從而為有機(jī)太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)化提供有力技術(shù)支撐。

“依據(jù)我們提出的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)，有機(jī)太陽(yáng)能電池（墊層）的最高轉(zhuǎn)化效率理論上可以達(dá)到20%以上。本次工作中，我們同時(shí)也對(duì)電池的壽命進(jìn)行了初步試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)166天實(shí)驗(yàn)后電池效率僅降低4%。未來(lái)，我們將繼續(xù)設(shè)計(jì)新的材料，在進(jìn)一步提高能量轉(zhuǎn)化效率的同時(shí)，針對(duì)電池壽命問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，爭(zhēng)取讓有機(jī)太陽(yáng)能電池早日從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用。”陳永勝教授說(shuō)。

論文第一作者是南開(kāi)大學(xué)2016級(jí)碩士研究生孟令賢，通訊作者是南開(kāi)大學(xué)陳永勝教授、萬(wàn)相見(jiàn)教授和國(guó)家納米科學(xué)中心丁黎明研究員。該研究得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、天津市科委和南開(kāi)大學(xué)的項(xiàng)目支持。