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工学院占肖卫课题组半透明有机太阳能电池研究取得重要进展

2018-03-17  3419

 

最近,北京大学工学院材料科学与工程系占肖卫课题组在强近红外吸收的稠环电子受体的分子设计及高效半透明太阳能电池中的应用研究中取得重要进展,在材料领域著名期刊《先进材料》发表了3篇论文。

近几年,半透明太阳能电池在光伏建筑一体化和产能窗户等领域的美好应用前景引起了学术界和工业界的广泛兴趣。顾名思义,半透明太阳能电池在吸收光能转化为电能的同时,能够让部分的可见光透过,从而保证一定的透明度。而在各种光伏技术中,有机太阳能电池被认为最适合制备半透明器件。迄今为止,半透明有机太阳能电池的研究大多数集中在透明顶电极,而活性层的研究比较缺乏。半透明有机太阳能电池的活性层通常是聚合物给体和富勒烯受体。由于富勒烯受体光吸收很弱,基于富勒烯受体的半透明有机太阳能电池效率普遍较低,单结电池效率一般在4-6%,叠层电池效率一般在7-8%。


北大博雅塔照片(a和b分别为相机镜头被半透明太阳能电池遮挡前后)

2017年,占肖卫课题组提出理想的半透明有机太阳能电池活性层应该具有强的近红外吸收和较弱的可见光吸收等特性。这种活性层能够充分利用太阳光谱中近红外部分的辐射来发电,而在可见区保持较高的透明度。基于这个理念,他们设计并合成了一个新的具有强近红外吸收的六并稠环电子受体材料IHIC,其光学带隙为1.38 eV(吸收边898 nm)。IHIC与广泛使用的窄带隙聚合物给体PTB7-Th共混制备半透明有机太阳能电池,器件的效率为9.77%,可见光区平均透过率为36%,且具有优异的光稳定性。工作发表在Adv. Mater. 2017, 29, 1701308(博士研究生王伟和严岑琪是共同第一作者),发表后9个月内被引用50余次,入选ESI热点论文和ESI高被引论文,Wiley网站Materials Views China以“高效率半透明有机太阳能电池”为题进行介绍评述。

在此基础上,他们设计合成了一种基于八并稠环噻吩为核、氟代氰基茚酮为端基、强近红外吸收的稠环电子受体材料FOIC,其光学带隙为1.32 eV(吸收边942 nm),吸收边比六并稠环电子受体材料IHIC红移44 nm。FOIC与PTB7-Th共混制备半透明有机太阳能电池,可见光区平均透过率为37.4%,效率提高到10.3%,这是半透明有机太阳能电池的世界最高效率(Adv. Mater. 2018, 30, 1705969,博士生李腾飞是第一作者)。Wiley网站Materials Views China以“高性能稠环噻吩电子受体光伏材料”为题进行介绍评述。

之后,他们设计合成了一系列的强近红外吸收的稠环电子受体材料,系统比较了给电子稠环核的大小对材料吸收光谱、电子结构、薄膜形貌和器件性能的影响,发现拓展稠环核是实现开路电压和短路电流同时提高的有效分子设计策略(Adv. Mater. 2018, 30, 1706571,博士后代水星是第一作者)。

本研究工作得到国家自然科学基金等的资助。