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华盛顿大学Alex K-Y Jen团队Adv. Mater.:钙钛矿太阳能电池PK有机太阳能电池,何不双剑合璧?

有机太阳能电池(OPV)与钙钛矿太阳能电池(PSC)作为新型的清洁能源转换手段,由于可制备成柔性、可印刷加工的器件而受到全球材料、能源、物理等领域相关科学家的关注。相比于有机太阳能电池,钙钛矿电池的发展趋势可谓愈加突飞猛进,在短短几年内其光电转换效率就从9.7%达到22.1%。但是,在近两年报道的高效PSC的吸收边通常为800 nm左右,这限制了其对太阳光谱中近红外光区的吸收,造成了太阳能量的浪费。

拓宽PSC的吸收主要有两种途径:(1)设计调控钙钛矿的配方,常常采用引入Sn原子;(2)叠层电池,即通过将两层电池(一层为窄吸收,另外一层为宽吸收)串联在一起的策略。但是,这两种途径都有明显的缺陷:策略1中含有Sn的配方容易发生氧化,导致相应电池的稳定性出现下降;而策略2中叠层电池器件工艺非常繁冗,会导致成本的大幅度增加,不适合大规模批量生产。

在OPV领域,尽管光电转换效率不如钙钛矿电池,但是却不乏吸收达到近红外区的材料。那么,是否能够将PSC与OPV的优势紧密结合,来克服高效钙钛矿电池的缺陷?是否可以同时保持原有PSC的开路电压、填充因子(FF),而通过进一步提高短路电流以增大光电转换效率?

Alex K-Y Jen教授。图片来源:University of Washington

最近,美国华盛顿大学Alex K-Y Jen教授研究团队巧妙的变换思路,采用非常简单的工艺,设计制备了OPV/PSC杂化电池,解决了高效PSC在近红外区缺乏吸收的缺陷,并对杂化电池中高填充因子、高短路电流以及高开路电压的原因展开了细致研究。这一工作发表在Advanced Materials 杂志上,为进一步提高OPVPSC这两种电池光电转换效率、突破现有的效率瓶颈提供了新思路。



1. a)OPV/PSC杂化电池的器件结构;b)杂化电池中相关材料的能级图;c)杂化电池的扫描电镜。图片来源:Adv. Mater.

作者制备的OPV/PSC杂化电池的器件结构如图1a所示,采用的是平面异质结的正装器件,与传统器件结构不同的是,作者巧妙的将PSC中的空穴传输层更换成OPV的活性层(给受体材料的体相异质结)。器件中相关材料的能级示意图(如图1b)中可以看到,有机太阳能电池层的给体材料DPPZnP-TSEH的HOMO能级为-5.20 eV,与钙钛矿的价带非常匹配,匹配优良的能级不仅有利于空穴的提取及传输,也能降低界面间的能量损失。

对于杂化电池的开路电压能够保持原有PSC的高开路电压,而没有受OPV层小电压的限制,作者引用了准费米能级压制模型进行解释

杂化电池中的有机电池层所用到的给体材料(图2a)以卟啉为核,两侧是DPP单元,中间通过炔键进行桥联,而侧链采用烷基链的硫化物进行修饰。该材料在溶液剂薄膜处的吸收如图2b所示,薄膜吸收覆盖了紫外-可见-近红外区,正是其800-900 nm范围内较强的吸收可以弥补PSC在近红外区的吸收。

2. a)有机太阳能电池层用到的给体材料;b)该材料在溶液剂薄膜中的吸收。图片来源:Adv. Mater.