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[材料资讯] 吴宏滨Nature Photonics:低非辐射跃迁复合损耗和低能量无序度的高效有机太阳电池

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发表于 2020-5-14 07:30:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
华南理工大学材料科学与工程学院发光材料与器件国家重点实验室吴宏滨教授课题组与中南大学化学与化工学院邹应萍教授团队联合在国际著名期刊Nature Photonics(《自然·光子学》)上发表题为“High-efficiency Organic Solar Cells with Low Nonradiative Recombination Loss and Low Energetic Disorder”(具有低非辐射跃迁复合损耗和低能量无序度的高效有机太阳电池)的合作研究论文。
       有机太阳电池是一种以有机共轭聚合物或者小分子半导体材料为核心组成的新型太阳电池, 因其原料来源丰富、制备成本低、发展潜力大、可制成半透明以及可通过印刷方式大面积制备等优点,已成为国内外研究的热点。作为一种有潜力的低成本可再生能源技术,有机太阳电池可在光伏发电、野外便携式充电器、太阳能电动交通工具、发电式建筑外墙等方面具有广阔的应用前景。获得高的能量转化效率是目前基础研究阶段的首要目标,也是实现其产业化的关键之一。
       伴随着光电流产生过程的光子能量损失是影响器件能量转化效率的关键因素。尽管历经多年的发展,常见的有机太阳电池的光子能量损失仍高达0.6-1.1eV, 是制约该领域发展的重大研究挑战之一。要减小这一损耗,需要抑制器件中的非辐射衰退复合损耗和降低有机半导体的能量无序度,而这些因素往往与有机半导体材料带隙间的带尾态密切相关。
      研究成果报道了使用一种无扭曲构型的小分子作为电子受体来降低有机太阳电池中的光子能量损失(有机半导体电子受体材料Y11由邹应萍教授团队设计合成, 材料的化学结构及其紫外-可见-近红外吸收光谱如图1所示)。基于细致平衡理论的分析表明, 这一体系中的非辐射跃迁收到强烈抑制, 由非辐射衰退复合损耗导致的能量损失降至0.17eV, 且由能量无序对应的乌尔巴赫能量值低至25−27 meV。这一体系中的综合能量损失为0.43−0.46 eV, 接近单晶硅太阳电池的最好水平(0.38 eV)。基于上述有机半导体材料的有机太阳电池获得了16%以上的实验室测试效率(图2), 并获得了经国家计量院和美国可再生能源实验室认证的相当效率。研究论文还探索了能量无序度,带尾态和非辐射衰退能量损失之间的关系(图3),利用超快光谱等手段揭示光生载流子的产生机制。研究人员还通过北京同步辐射装置原位掠入射广角X射线散射(GIWAXS)研究了薄膜中的洁净度和分子的堆积取向,结果表明薄膜中出现定向的堆叠取向,导致了高效的电荷输运通道。这项研究工作的科学意义体现在, 提出了设计同时具备低能量无序度与低能量损失有机光伏体系的指导原则,并将能量无序度这一微观材料性质参数和器件开路电压这一宏观器件参数联系起来,为进一步发展性能更加优异的有机光伏材料体系奠定重要的分子结构基础和材料物理基础。

高效有机太阳电池

高效有机太阳电池
图1研究所用到的有机光伏给受体材料结构, 以及其吸收特性
       该论文得到了审稿人的高度评价,认为其实现了三个突破:一是创造新的有机太阳电池效率记录; 二是实现了将有机太阳电池中的光子能量损失降到最低;三是通过实验验证了该能量损失与带尾无序度相关。
       博士生刘莎、邓万源博士、袁俊博士(中南大学)是本研究工作的共同第一作者,吴宏滨教授和邹应萍教授分别是是华南理工大学课题组和中南大学课题组的通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部等科研项目的资助。
       论文卷页号信息:Nature Photonics, 14 (5),  P. 300–305 (2020).
       论文链接:https://www.nature.com/articles/s41566-019-0573-5
       文章来源:华南理工大学
       吴宏滨, 男, 华南理工大学教授。2006年毕业于华南理工大学, 获博士学位。长期从事有机/聚合物光电材料与器件的研究,在有机电致发光器件、太阳电池以及光探测器件等研究领域方面取得了一系列成果。发表学术论文190余篇, 论文他引6000余次。近年分别入选中央组织部首批“青年拔尖人才支持计划”、教育部“新世纪优秀人才”支持计划。获国家自然科学二等奖1项。2015年入选汤森路透全球“高被引科学家”目录。主持国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金委重点项目等项目,入选中央组织部“青年拔尖人才支持计划”。先后获得广东省科学技术奖一等奖(2008), 教育部优秀成果奖一等奖(2014),及2015年国家自然科学奖二等奖。

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