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    化学研究所在近红外吸收受体光伏材料和叠层有机太阳能电池的研究方面取得了进展

    发布日期:2021-02-03 18:23 化学论文

    中国科学院作为国家最高科技学术机构和国家自然科学与高技术综合研究开发中心,自成立以来,始终牢记使命,与科学同步,与祖国同行,以国家繁荣和人民幸福为己任,造就了一大批卓有成效的人才,为我国科技进步、经济社会发展和国家安全做出了不可替代的重要贡献。更多介绍

    中国科学技术大学1958年由中国科学院在北京创办,1970年迁至安徽合肥。中国科学技术大学坚持“全院办学、院系结合”的方针,是一所科学技术前沿、管理特色、人文特色的研究型大学。

    中国科学院大学(以下简称“国立科技大学”)成立于1978年,前身为中国科学院研究生院,2012年更名为中国科学院大学。国立科技大学实行“科教一体”的办学体制,在管理体制、师资队伍、培养体系、科研工作等方面与中科院直属科研机构共享、治理、共享、共赢。是一所以研究生教育为主的独特研究型大学。

    上海科技大学(以下简称“上海科技大学”)由上海市人民政府和中国科学院共同举办建设,2013年经教育部正式批准。上海科技大学坚持“服务国家发展战略,培养创新创业型人才”的原则,实现了科技与教育、科教与产业、科教与创业的融合。是一所规模小、水平高、国际化的研究型创新型大学。

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    由两个单结有机太阳能电池(OsC)串联组成的叠层有机太阳能电池(OsC)可以拓宽太阳光的利用范围,克服单结器件光吸收范围有限和热损失的问题,获得更高的光电转换效率。然而,由于叠层OSC涉及的材料种类繁多,器件制作困难,尤其是结后子电池缺乏高效的窄带隙光伏材料,导致其发展仍然落后于单结OSC。近红外波段宽吸收、高外量子效率的窄带隙光伏材料的开发对于实现高效率叠层OSC非常重要,窄带隙有机光伏材料对于半透明OSC的开发也很重要。

    中国科学院化学研究所有机固体研究所重点实验室研究员李永方在近红外吸收窄带隙受体光伏材料研究方面取得进展。2017年,该研究小组在A-D-A受体ITIC的中心稠环D-单元和末端A-单元之间插入了另一个碳碳双键,拓宽了分子的吸收光谱(材料化学2017,29,1013010138,该论文的第一作者是李晓军博士)。最近,研究人员将这一策略扩展到A-DA'D-A窄带隙小分子受体Y6,并通过在Y6 (se

    基于BTPV-4F在光吸收和光伏性能方面的优势,研究人员使用BTPV-4F作为背结器件的受体来构建叠层OSC。根据理论模拟(图1c),设计并合成了带隙为1.6 eV的中间带隙受体m-DTC-2F(图1d)。以pm6: m-DTC-2f为前结器件的有源层,ptb7-th: btpv-4f: pc71bm为后结器件的有源层,构建了叠层OSC。叠层OSC显示了在300~1050纳米范围内整个可见-近红外区域内太阳光谱的有效利用,两个子电池实现了相对较低的电压损耗,开路电压为1.65伏,光电转换效率为16.4%(图2)。此外,基于BTPV-4F的OSC表现出优异的光稳定性,在太阳光模拟器下照射500小时后,PCE值仍能保持在原始值的91%。

    相关研究成果发表在《自然通讯》上。该论文的第一作者是化学研究所博士生贾,博士生秦树成。化学研究所研究员孟磊、北卡罗来纳州立大学教授哈拉尔德阿德和李永方是这篇论文的对应作者。研究工作得到国家自然科学基金和科技部重点研究发展计划的支持。

    图1。(a)受体BTPV-4F和Y6的分子结构;(b)btpv-4f和Y6薄膜的吸收光谱;(c)模拟叠层OSC前后结器件有源层的带隙匹配;受体m-DTC-2F和聚合物供体PTB7-Th和PM6的分子结构

    由两个单结有机太阳能电池(OsC)串联组成的叠层有机太阳能电池(OsC)可以拓宽太阳光的利用范围,克服单结器件光吸收范围有限和热损失的问题,获得更高的光电转换效率。然而,由于叠层OSC涉及的材料种类繁多,器件制作困难,尤其是结后子电池缺乏高效的窄带隙光伏材料,导致其发展仍然落后于单结OSC。近红外波段宽吸收、高外量子效率的窄带隙光伏材料的开发对于实现高效率叠层OSC非常重要,窄带隙有机光伏材料对于半透明OSC的开发也很重要。

    中国科学院化学研究所有机固体研究所重点实验室研究员李永方在近红外吸收窄带隙受体光伏材料研究方面取得进展。2017年,该研究小组在A-D-A受体ITIC的中心稠环D-单元和末端A-单元之间插入了另一个碳碳双键,拓宽了分子的吸收光谱(材料化学2017,29,1013010138,该论文的第一作者是李晓军博士)。最近,研究人员将这一策略扩展到A-DA'D-A窄带隙小分子受体Y6,通过在Y6的中心核和端基之间插入双键,设计合成了一种新的窄带隙受体BTPV-4F(分子结构见图1a)。BTPV-4F的吸收比Y6进一步红移(图1b)。btpv-4f的吸收边红移至1050 nm,能带宽度减小至1.21 eV。以聚合物PTB7-Th为供体,BTPV-4F为受体,PC71BM为第三组分的三元单结OSC的短路电流(Jsc)和能量转换效率(PCE)分别达到28.9毫安厘米-2和13.4%,是迄今为止所报道的OSC器件的最高值。

    基于BTPV-4F在光吸收和光伏性能方面的优势,研究人员使用BTPV-4F作为背结器件的受体来构建叠层OSC。根据理论模拟(图1c),设计并合成了带隙为1.6 eV的中间带隙受体m-DTC-2F(图1d)。以pm6: m-DTC-2f为前结器件的有源层,ptb7-th: btpv-4f: pc71bm为后结器件的有源层,构建了叠层OSC。叠层OSC显示了在300~1050纳米范围内整个可见-近红外区域内太阳光谱的有效利用,两个子电池实现了相对较低的电压损耗,开路电压为1.65伏,光电转换效率为16.4%(图2)。此外,基于BTPV-4F的OSC显示出优异的光稳定性,并且PCE值仍然可以保持到91

    相关研究成果发表在《自然通讯》上。该论文的第一作者是化学研究所博士生贾,博士生秦树成。化学研究所研究员孟磊、北卡罗来纳州立大学教授哈拉尔德阿德和李永方是这篇论文的对应作者。研究工作得到国家自然科学基金和科技部重点研究发展计划的支持。

    图1。(a)受体BTPV-4F和Y6的分子结构;(b)btpv-4f和Y6薄膜的吸收光谱;(c)模拟叠层OSC前后结器件有源层的带隙匹配;受体m-DTC-2F和聚合物供体PTB7-Th和PM6的分子结构


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