全聚合物太陽能電池(all-PSCs)憑借其出色的穩(wěn)定性和機(jī)械耐用性,被認(rèn)為是未來太陽能電池應(yīng)用的重要方向。全聚合物太陽能電池主要由供體和受體兩種有機(jī)聚合物材料組成,其基本結(jié)構(gòu)包括以下:
l 透明導(dǎo)電電極: 通常由氧化銦錫(ITO)制成,用于光的透射和電子的導(dǎo)電。
l 電子傳輸層: 提高電子從活性層向電極的傳輸效率。
l 活性層: 由供體和受體材料組成,是光生電荷的主要產(chǎn)生區(qū)域。供體材料吸收光子產(chǎn)生激子(電子-空穴對),激子在受體材料處分離成自由電子和空穴。
l 空穴傳輸層: 提高空穴從活性層向電極的傳輸效率。
l 金屬電極: 通常由銀或鋁制成,用于收集和導(dǎo)出電荷。
近年來,全聚合物太陽能電池的研究發(fā)展迅速:
l 材料發(fā)展: 隨著非富勒烯受體材料的快速發(fā)展,APSCs的光/熱穩(wěn)定性和柔韌拉伸性能顯著提高。
l 轉(zhuǎn)換效率: 研究顯示,聚合物太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率已突破10%,這使其成為一種有競爭力的替代傳統(tǒng)硅基太陽能電池的技術(shù)。
l 機(jī)械靈活性: APSCs表現(xiàn)出優(yōu)異的透明性、溶液加工性和機(jī)械靈活性,使其在柔性電源系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用前景。
然而,由于其效率長期落后于小分子受體基太陽能電池,限制了其進(jìn)一步發(fā)展。如何有效平衡并提升開路電壓(Voc)和短路電流密度(Jsc)成為全聚合物太陽能電池領(lǐng)域的一大難題。
近期,香港科技大學(xué)顏河教授團(tuán)隊(duì)在國際頂級期刊 Energy & Environmental Science 上發(fā)表了突破性研究成果, 成功開發(fā)了一種名為PYO-V的新型聚合物受體, 它可以通過調(diào)節(jié)分子結(jié)構(gòu), 實(shí)現(xiàn)更寬的光譜吸收和更高的能量級, 從而有效提升了全聚合物太陽能電池的性能, 并實(shí)現(xiàn)了高效的多功能光伏應(yīng)用。
顏河教授是香港科技大學(xué)化學(xué)系教授,長期致力于有機(jī)光伏材料與器件方面的研究, 在國際著名期刊發(fā)表了200余篇高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文。 他的團(tuán)隊(duì)致力于突破現(xiàn)有全聚合物太陽能電池的技術(shù)瓶頸, 為下一代高效穩(wěn)定的光伏器件的開發(fā)提供新的思路和方向。
【突破性設(shè)計(jì):巧妙調(diào)節(jié)分子結(jié)構(gòu),提升光伏性能】
研究團(tuán)隊(duì)針對目前全聚合物太陽能電池中開路電壓 (VOC) 和短路電流密度 (JSC)難以兼得的難題,巧妙設(shè)計(jì)并合成了一種新型的聚合物受體PYO-V。 該分子通過在外部噻吩單元的 β 位置引入烷氧基側(cè)鏈, 實(shí)現(xiàn)了能級上移和吸收藍(lán)移。
PYO-V 的優(yōu)勢:
l 更寬的光譜吸收范圍: PYO-V 能夠有效吸收更多光能, 顯著提升光電流。
l 更優(yōu)異的分子排列: 烷氧基側(cè)鏈的存在, 可以有效提升聚合物材料的分子排列, 從而促進(jìn)載流子的傳輸和分離, 減少復(fù)合損失, 提升器件的效率。
l 更高的開路電壓: PYO-V 擁有更高能量級, 有效降低了太陽能電池的電壓損失, 從而提高了器件的開路電壓。
l 多功能的應(yīng)用: PYO-V 同時具有戶外和室內(nèi)應(yīng)用的潛力, 可以在不同的光照環(huán)境下表現(xiàn)出高效的光伏特性。
【突破效率極限,打造更穩(wěn)定的全聚合物太陽能電池】
研究人員通過將 PYO-V 引入到 PM6:PY-V-γ 主體系統(tǒng)中, 實(shí)現(xiàn)了對光譜吸收的有效補(bǔ)充。 最終, 他們成功制備出了基于 PM6:PY-V-γ:PYO-V 的三元全聚合物太陽能電池, 器件效率高達(dá)18.5%, 成為目前報道的所有使用開路電壓超過0.93 V的全聚合物太陽能電池中的新紀(jì)錄。
為了準(zhǔn)確地測試太陽能電池器件的性能, 研究團(tuán)隊(duì)使用了 光焱科技的 SS-X AM1.5G太陽光仿真器 和 QE-R PV/太陽能電池量子效率光學(xué)儀 。 SS-X 太陽光模擬器為研究人員提供了精準(zhǔn)模擬太陽光的環(huán)境, 而 QE-R 則可以幫助研究人員分析太陽能電池在不同波長范圍的光電轉(zhuǎn)化效率, 從而為器件設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供重要參考數(shù)據(jù)。
突破傳統(tǒng)束縛,全聚合物太陽能電池的未來充滿希望
該研究結(jié)果表明, 通過合理的設(shè)計(jì)和分子調(diào)控, 全聚合物太陽能電池可以獲得與小分子受體基太陽能電池相當(dāng)甚至更高的效率。 未來, 研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步優(yōu)化全聚合物太陽能電池的性能, 使其在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮更大的作用。
【總結(jié)】
顏河教授團(tuán)隊(duì)通過開發(fā)具有更寬光譜吸收和更高能級的聚合物受體 PYO-V, 突破了傳統(tǒng)全聚合物太陽能電池的效率瓶頸, 實(shí)現(xiàn)了更高效率和更穩(wěn)定性能的多功能全聚合物太陽能電池。 這項(xiàng)研究成果為開發(fā)未來高效穩(wěn)定的全聚合物太陽能電池提供了重要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)參考。
重要技術(shù)參數(shù):
全聚合物太陽能電池效率: 18.5%
關(guān)鍵材料: PYO-V
關(guān)鍵技術(shù): 分子調(diào)控策略
關(guān)鍵設(shè)備: 光焱科技的 SS-X AM1.5G太陽光仿真器 和 QE-R PV/太陽能電池量子效率光學(xué)儀
香港科技大學(xué)_顏河教授
顏河教授是香港科技大學(xué)化學(xué)系教授,其團(tuán)隊(duì)主要專注于新型有機(jī)光伏材料的研發(fā), 包括高性能聚合物供體材料、受體材料,以及新的器件設(shè)計(jì)。 他們的研究目標(biāo)是開發(fā)出效率更高、更穩(wěn)定、成本更低的光伏器件, 推動再生能源技術(shù)的進(jìn)步。 顏教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)已在國際著名期刊上發(fā)表了200余篇高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文, 并在有機(jī)光伏領(lǐng)域取得了重大成果。
課題組主要研究方向
I. 有機(jī)光伏材料與器件:
研究新型有機(jī)光伏材料的合成與性能優(yōu)化。
探索高效能有機(jī)太陽能電池的制備技術(shù)及其應(yīng)用。
II. 全聚合物太陽能電池:
開發(fā)高效能的全聚合物太陽能電池材料。
研究全聚合物太陽能電池的結(jié)構(gòu)與機(jī)理,提升其光電轉(zhuǎn)換效率。
III. 柔性與可印刷電子器件:
研究柔性電子材料及其在可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用。
探討可印刷電子器件的制備工藝及其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
IV. 光電功能材料:
研發(fā)具有優(yōu)異光電性能的新型功能材料。
研究光電材料在光電探測、光催化等方面的應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
An efficient alkoxy-substituted polymer acceptor for efficient all-polymer solar cells with low voltage loss and versatile photovoltaic applications_ Energy Environ. Sci., 2024
【本研究參數(shù)圖】
Fig 1. (a) PM6(聚合物供體)、PY-V-γ(深色聚合物受體)和PYO-V(熱致變色聚合物受體)的化學(xué)結(jié)構(gòu)。(b) PM6、PY-V-γ、PYO-V 和 PY-V-γ:PYO-V 薄膜和 (c) PM6:PY-V-γ、PM6:PYO-V 和 PM6: PY-V-γ:PYO-V 溷合薄膜的歸一化紫外-可見吸收光譜。(d) 所有PSC中材料的能量對齊。
Fig 2. (a) J-V特性和(b)外部量子效率(EQE)光譜和(c)三種類型的全PSC的暗J-V曲線。(d) PY-V-γ、PYO-V、PY-V-γ:PYO-V純薄膜和PM6:PY-V-γ、PM6:PYO-V和PY-V-γ:PYO-V共溷薄膜的TR-PL衰減曲線。泵浦和探頭波長為 750 nm。(e) 四種全聚合物器件的 TPC 和 (f) TPV 光譜。
Fig S14.(a) 基于 PM6:PYF-T-o、PM6:PYO-V 和 PM6:PYF-T-o:PYO-V。(c) 基于 PM6:PYF-T-o、PM6:PYO-V 和 PM6:PYF-T-o:PYO-V 的器件的 EQE 曲線。
上述研究數(shù)據(jù)來自光焱科技 _ QE-R 光伏/太陽能電池 EQE 完整解決方案
推薦設(shè)備
1. QE-R_光伏 / 太陽能電池量子效率測量解決方案
具有以下特色優(yōu)勢:
l 高精度: QE-R 系統(tǒng)采用高精度光譜儀和校準(zhǔn)光源,確保 EQE 測量的準(zhǔn)確性和可靠性。
l 寬光譜范圍:QE-R 系統(tǒng)的光譜范圍覆蓋紫外到近紅外區(qū)域,適用于各種光伏材料和器件的 EQE 測量。
l 快速測量:QE-R 系統(tǒng)具有快速掃描和數(shù)據(jù)采集功能,能夠高效地進(jìn)行 EQE 光譜測量。
l 易于操作:QE-R 系統(tǒng)軟件界面友好,操作簡單方便,即使是初學(xué)者也能輕松上手。
l 多功能:QE-R 系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行 EQE 測量,還可以進(jìn)行反射率、透射率等光學(xué)特性的測量,具有多功能性。
2. SS-X系列集成式解決方案 AM1.5G 標(biāo)準(zhǔn)光譜太陽光模擬器+ 軟件: IVS-KA6000 + IVS-KA-Viewer
AM1.5G 標(biāo)準(zhǔn)光譜太陽光模擬器
A+ 光譜:接近 AM1.5G 標(biāo)準(zhǔn)光譜
A+ 輻照度的時間不穩(wěn)定性
SS-IRIS:自主研發(fā)技術(shù)自動光強(qiáng)操控
適合與手套箱集成的輸出光束方向
IVS-KA6000:IV測量軟件 所有 SS-X 系列太陽光模擬器都可以通過 IVS-KA6000 軟件進(jìn)行控制,該軟件是 IV 測量軟件,可用于準(zhǔn)確的 PV 表征。不僅是光閘,輸出光輻照度也可以通過 IVS-KA6000 IV 軟件進(jìn)行操控,幫助用戶輕松完成不同光強(qiáng)下復(fù)雜的 IV 測試或 Sun- Voc測試。來自 IVS-KA6000 的所有 IV 數(shù)據(jù)都可以通過 IVS-KA-Viewer 讀取和分析,這是另一款多功能分析軟件。
KA-Viewer IV 分析軟件 可以大幅縮短用戶的數(shù)據(jù)處理時間,并可加快整體工藝改進(jìn)研發(fā)的時程。
文獻(xiàn)參考自 Energy Environ. Sci., 2024,_ DOI:10.1039/D4EE01804D
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