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效率17.22%!三元有机太阳能电池将成为光伏领域的研究热点

光伏电池组件  来源:    2020/3/17 18:15:52  我要投稿  

北极星太阳能光伏网讯:近年来,三元策略在提高有机太阳能电池性能方面已展露出很大的潜力,成为有机光伏领域的研究热点。张福俊教授课题组长期专注于三元有机光伏器件物理方面的研究,提出了研究三元体系中激子和载流子动力学的新方法、新手段,以及理解合金模型的微观机制。近期,该课题组基于PM6:Y6:MF1体系成功制备出效率为17.22%的三元器件,在中国计量科学院的验证效率为16.8%。此工作已经以Articles形式发表在Science Bulletin上。

该工作系统研究了MF1掺杂比例对三元器件光伏参数的影响。随着MF1掺杂比例的增加,器件的短路电流先升高后降低;开路电压逐渐升高;填充因子先升高后降低再升高。器件短路电流的升高主要归因于有源层光子俘获和形貌的优化。逐渐增大的开路电压表明:MF1和Y6形成了类合金态,即分子间激发态能级简并,MF1和Y6良好的兼容性是形成类合金态的前提条件。作者利用Raman mapping,接触角和GIWAXS实验证明MF1和Y6具有较好的兼容性。从其Raman mapping的图像中,能够直观地观察到MF1在有源层中的分布情况。如图1c所示,蓝色,红色和黄绿色区域分别表示混合膜中的PM6,Y6和MF1。从三元Raman mapping的图像中能够观察到大多数黄绿色斑点嵌入到红色区域,表明在三元混合薄膜中MF1更倾向于与Y6混合形成类合金态。填充因子的变化主要归因于双受体材料较好的兼容性和不同的LUMO能级。由于MF1的LUMO能级高于Y6,当MF1在受体中的比例为10 wt%时,MF1和Y6上产生的电子能够沿着较低的混合LUMO能级传输。当MF1的含量增加到50 wt%时,有源层中会形成大量的电子陷阱,导致器件电子迁移率和填充因子的降低。当MF1的含量为10 wt%时,三元器件的效率达到最优17.22%,其短路电流为25.68 mA cm 2,开路电压为0.853 V,填充因子为78.61%。相较于PM6:Y6二元器件,最优三元器件的短路电流,开路电压和填充因子均得到了提升。

1.jpg

图1。 (a) 器件结构示意图;(b)器件光伏参数随MF1掺杂比例的变化趋势;(c)混合薄膜的Raman mapping图像;(d) PM6, MF1 和Y6能级图;(e)有源层中电子和空穴迁移率;(f) 器件的J-V曲线。

表1 不同MF1掺杂比例的有机太阳能电池光伏参数

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a)最优三元器件在中国计量科学研究院验证的光伏参数

中科彩票投注该工作表明第三组分的作用除了增强有源层光子俘获外,还可优化激子的分布,给受体材料的相分离程度和分子排布方式,形成类合金态调控能级位置,进而同时提高器件的短路电流,开路电压和填充因子。该工作进一步证明:三元策略是一种有效提高器件性能的方法。


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