高效有机太阳能电池:下一代新型光伏技术
2017-03-15
 
我校化学与环境学院孙艳明教授科研团队在新型有机光伏材料设计以及高效太阳能电池制备方面取得一系列重要进展,研究成果先后发表在国际著名期刊《先进材料》和《美国化学会志》上。其中,在有机非富勒烯太阳能电池研究方面达到国际领先水平。
能源是人类生存、经济发展、社会进步的重要资源保障。人口的不断增长和生活水平的提高,极大增加了对能源的需求。而石油、煤炭等化石能源日益枯竭,能源危机和能源污染步步逼近。当前,由于我国工业化进程中大量消耗石化能源,大量排放二氧化碳、二氧化硫等,导致全国范围内出现雾霾,严重威胁着人们的健康和生活质量。经济、人口、气候和科技协调发展的需求正在推动全球能源体系的持续转变,获取新型能源已经变得十分迫切。
太阳能几乎是一种取之不尽用之不竭的永久性能源,其分布广泛,获取方便,安全、清洁,而且开发利用太阳能不会给环境带来污染。近年来,有机太阳能电池以其重量轻,成本低,以及可制成柔性大面积器件等突出优点,成为了太阳能电池领域的研究热点。通过在分子层面对种类繁多的有机半导体材料进行设计合成,并对器件结构进行优化,有机太阳能电池的效率和稳定性很有希望获得进一步提升。但是,与无机太阳能电池相比,有机太阳能电池转换效率还相对偏低,离实用化还有一定距离。最近,我校化学与环境学院、国际交叉科学研究院黑格尔北京研究院孙艳明科研团队在新型有机光伏材料设计合成以及高效太阳能电池制备方面取得一系列重要进展。
材料的迁移率对太阳能电池性能至关重要。从材料设计角度出发,开发高迁移率的大π共轭平面结构或单元是提高光伏材料性能的一个有效途径。研究人员通过拓宽给受体型聚合物分子中给体单元的共轭程度来提高材料的迁移率,设计合成了一系列高性能聚合物光伏材料,制备了效率高达10.2%的有机太阳能电池,该效率是目前有机太阳能电池中全球最高的转换效率之一,相关成果先后发表在材料领域权威杂志《先进材料》和《先进能源材料》上(Adv. Mater. 2015, 27, 2938Adv. Mater. 2015, 27, 6969Adv. Energy Mater. 2016, 6, 15021209)。研究成果被MaterialsViewsChina.com重点报道。
最近,孙艳明科研团队在有机太阳能电池方面又取得重要进展,通过对聚合物分子侧链化学结构进行精细修饰,调控材料电光性能和结晶性,首次将宽带隙聚合物光伏材料的效率提高到10.3%。该成果刚刚发表在材料领域权威杂志《先进材料》上(Adv. Mater. 2017, 29, 1604251)。该成果能够加深对材料结构-性能之间的关系认识并对新材料的设计提供新的思路。
历经十余年的发展,基于富勒烯体系的有机太阳能电池效率已提高至10%以上。但由于富勒烯材料存在吸光范围较窄、能级调控难、易聚集、成本较高等缺点,严重限制了富勒烯作为太阳能电池受体材料的更广泛应用和器件性能的进一步提升。非富勒烯受体具有能级可调、合成简单、成本低、可见光范围吸收强,以及较好的光热稳定性等优点,近年来受到越来越多的关注。目前研究的热点主要集中在对非富勒烯受体材料的开发和化学结构改进上。研究人员将设计合成的高迁移率光伏材料和非富勒烯受体匹配,制备了效率在9%以上的有机太阳能电池,填充因子也提高到70%以上,是非富勒烯太阳能电池领域内的重要突破,相关成果先后发表在国际著名期刊《美国化学会志》上(J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 10184; J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 37J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 2973J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 11156)。
 
 
 
图 (a-d)聚合物给体和稠环电子受体化学结构,器件结构示意图,以及太阳能电池性能曲线。
 
孙艳明,化学与环境学院,黑格尔北京研究院,教授,青年千人,E-mail: sunym@buaa.edu.cn
孙艳明博士主要从事有机光电功能材料与器件的研究。研究领域包括:1)有机太阳能电池;2)有机自旋电子器件;3)钙钛矿太阳能电池。
 
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