北師大薄志山Nat. Commun.：高效鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池中的有機(jī)薄膜演化與復(fù)合損失

主要內(nèi)容

鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池作為突破單結(jié)器件效率極限的一種頗具前景的策略，其性能提升一直備受關(guān)注。然而，此前其性能表現(xiàn)受到有機(jī)子電池中復(fù)合損失的嚴(yán)重限制。面對(duì)這一挑戰(zhàn)，由北京師范大學(xué)薄志山教授、張文凱教授，南方科技大學(xué)丘龍斌助理教授，四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院李鴻祥副研究員以及青島大學(xué)紡織服裝學(xué)院歐陽(yáng)丹副教授、劉玉強(qiáng)教授強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，針對(duì)這一難題展開(kāi)了深入研究。

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)追蹤有機(jī)薄膜形成的最初始階段薄膜的演變情況，對(duì)有機(jī)子電池中的復(fù)合損失展開(kāi)細(xì)致研究。研究過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)策略性地調(diào)整給體與受體的比例，以此精準(zhǔn)調(diào)控薄膜的生長(zhǎng)特性，同時(shí)采用**的原位技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)晶動(dòng)力學(xué)。研究結(jié)果明確指出，有機(jī)共混物中給體含量的差異對(duì)溶液到固體的轉(zhuǎn)變過(guò)程具有微調(diào)作用。當(dāng)給體含量不足時(shí)，受體分子容易發(fā)生聚集現(xiàn)象，進(jìn)而破壞分子排列的有序性，導(dǎo)致結(jié)晶度降低。這些形態(tài)上的變化會(huì)嚴(yán)重阻礙激子解離，促使電荷復(fù)合現(xiàn)象頻發(fā)，最終使器件的整體性能大幅下降。

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步深入探索，通過(guò)優(yōu)化薄膜形貌和結(jié)晶過(guò)程，成功減少了復(fù)合損失。這一系列優(yōu)化舉措使得鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的26.42%的光電轉(zhuǎn)換效率?？傊?，該團(tuán)隊(duì)已明確闡明了精準(zhǔn)調(diào)控有機(jī)子電池中聚合物給體含量對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池（TSCs）的關(guān)鍵作用。通過(guò)建立結(jié)晶度、相分離和激子復(fù)合等關(guān)鍵形貌參數(shù)與電學(xué)參數(shù)之間的定量關(guān)聯(lián)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)優(yōu)化給體：受體（D:A）化學(xué)計(jì)量比（即給體材料和受體材料在混合時(shí)的比例關(guān)系）可顯著提高激子解離產(chǎn)率和電荷傳輸效率。相反，若給體負(fù)載量不足，則會(huì)破壞活性層的分子有序性，從而降低器件性能。因此，在成功調(diào)控有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSC）子電池的薄膜形貌并降低能量復(fù)合損失后，光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）得到了顯著提升。最終，鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)了高達(dá)26.42%的顯著光電轉(zhuǎn)換效率，這一成果也凸顯了協(xié)同優(yōu)化光吸收和激子利用以實(shí)現(xiàn)疊層器件性能**化的必要性。

文獻(xiàn)信息

Organic film evolution and recombination losses in highly efficient perovskite/organic tandem solar cells

Xinyue Cui, Guanshui Xie, Guangliu Ran, Yuqiang Liu, Xueqing Ma, Gendi Zhang, Qiumin Kong, Wenkai Zhang, Hongxiang Li, Pei Cheng, Dan Ouyang, Longbin Qiu & Zhishan Bo

https://www.nature.com/articles/s41467-025-64032-7

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