Science | 17.3%！南开大学陈永胜团队刷新一项世界纪录

youwuyang

南开大学化学学院陈永胜教授、万相见教授团队和国家纳米科学中心丁黎明教授领衔的团队在有机太阳能电池领域研究中获突破性进展。他们设计和制备的具有高效、宽光谱吸收特性的叠层有机太阳能电池材料和器件，实现了17.3%的光电转化效率，刷新了目前文献报道的有机/高分子太阳能电池光电转化效率的世界最高纪录。这一最新成果让有机太阳能电池距离产业化更近一步。

美国东部时间9日下午，介绍该研究的论文在线发表于国际顶级学术期刊《科学》（Science）上。

尽管有机太阳能电池(OPV)具有许多优点，但它们的性能仍然远远落后于其它光伏太阳能电池，比如：钙钛矿太阳能电池，染料敏化太阳能电池等。 其中一个最根本的原因是有机材料的低电荷迁移率，导致活性层厚度和有效的光吸收的限制。基于此，南开大学陈永胜教授、万相见教授团队和国家纳米科学中心丁黎明教授团队合作通过一种溶液法制备的两端叠层有机太阳能电池并实现了认证的17.29％光电转换效率， 工作亮点：他们由半经验模型分析和使用叠层电池策略来指导克服了上述有机太阳能电池存在的问题，并充分利用了有机材料的高度多样性和易于调节的能带结构。


从基础研究的角度来讲，一个根本的原因就在于有机材料的电荷迁移率低，导致活性层厚度的限制，光吸收效率不足。叠层有机太阳能电池是目前提高效率的最佳策略之一，其主要问题在于：
1）后电池缺乏具有合适禁带宽度的有机材料。
2） 由于吸收重叠或者子电池电流不匹配，造成叠层电池电流不足。


研究人员基于研究经验和理论模型的预测相结合，精挑细选了一种非富勒烯分子COi8DFIC作为后电池活性材料。这种分子的近红外光吸收起始波长为1100nm 左右，而且单结电池具有优异的FF 和EQE值。前电池活性层选取PBDB-T作为供体，F-M作为受体，以实现对后电池电流和光吸收的最佳匹配。



研究表明，所设计的叠层有机太阳能电池具有高达17%以上的光电转换效率，而且稳定性优异，在经过166天连续测试后，性能损失仅为4%。




“依据我们提出的半经验模型预测，有机太阳能电池（垫层）的最高转化效率理论上可以达到20%以上。本次工作中，我们同时也对电池的寿命进行了初步试验，发现166天实验后电池效率仅降低4%。未来，我们将继续设计新的材料，在进一步提高能量转化效率的同时，针对电池寿命问题进行系统的实验，争取让有机太阳能电池早日从实验室走向实际应用。”陈永胜说。



据了解，该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、天津市科委和南开大学的项目支持。