石墨炔材料电池新突破—催生高效率有机太阳能电池

近年来，有机太阳能电池发展迅速，其中混合膜的形貌调控是提高器件性能的重中之重。在各种调控策略中，添加剂对于有太阳能电池性能提高至关重要。但是，现有高效添加剂都具有挥发性，这会导致器件性能参数出现批次性差异，影响了有机电池的产业化进程。在李玉良院士的指导下，中科院青岛能源所酒同钢课题组与华盛顿大学高珂博士合作，开发氯石墨炔作为固体添加剂，在有机太阳能电池的性能和工艺重现性方面同时取得了突破，实验室器件效率达到17.3%，器件在中国计量科学研究院认证效率达到17.1%，是目前报道的二元有机太阳能电池最高效率之一。利用氯石墨炔优良的热稳定性和优异的电学性质，有效解决了有机太阳能电池挥发性添加剂导致的批次性能差异的发展瓶颈，并获得高质量的结晶薄膜，实现了高重复性、高性能光伏器件的制备。这一成果成功解决了当前有机太阳能电池领域人们关心的高效率和重复性两个关键问题。此成果大大降低了工艺的复杂性，凸显了二元组分电池易加工性的优势，加速了有机太阳能电池的产业化落地进程。

图：氯石墨炔作为多功能固体添加剂调控有机太阳能薄膜形貌及器件性能

石墨炔是国际具有我国自主知识产权的二维碳材料，目前吸引了美国、英国、德国、日本等国家研究团队和国内著名大学和科研机构开展了石墨炔的研究。石墨炔具有二维平面共轭体系、优良的化学稳定性和半导体性能，已经广泛应用于生物、能源、催化、信息技术、储能等各个领域。在这项工作中，研究人员针对有机太阳能电池目前存在的添加剂易挥发、数据重复性差、器件填充因子低等问题，将氯石墨炔作为一种多功能固体添加剂首次成功应用于有机太阳能电池活性层形貌调控，实现器件参数的高度重现性。同时氯石墨炔具有大的pi共轭和优良的孔道结构，可大大提高活性层的结晶行为，提高成膜过程中晶体的质量和取向，从而实现器件填充因子的提升。

研究人员发现，氯石墨炔的强共轭作用可有效改善受体分子的结晶行为，通过形貌表征及电学性能测试证明，氯石墨炔的加入有利于混合膜结晶过程的优化，结晶度的提高及相分离的改善，进而使载流子迁移率得到明显提升，电荷复合受到抑制。因此，与传统添加剂氯萘的器件相比，器件短路电流密度及填充因子明显提升，电池效率大幅度提高。一系列协同作用促进了器件性能的提高，并同时实现器件参数的高重复性，表明了石墨炔材料作为多功能固体添加剂在有机太阳能电池领域的巨大应用前景。二维石墨炔材料优化太阳能电池性能的策略，可完美的作为一个普适的方法扩展到光电、储能和智能器件领域，相关研究成果近期在Advanced Materials（DOI:10.1002/adma.201907604）上发表。