柔性太阳能电池实现了电力转换效率的大幅提升

中国科学院(CAS)青岛生物能源与生物过程技术研究所(QIBEBT)的研究人员对三元有机太阳能电池(TOSC)的材料进行了调整，并实现了与传统太阳能电池同类产品相当的效率。研究结果于7月31日发表在《先进材料》杂志上。

有机光伏太阳能电池(OSC)是一种使用有机材料(通常由小分子或聚合物组成)将阳光转化为电能的太阳能电池，与使用晶体硅或其他无机材料的传统无机太阳能电池不同。

OSC的主要优势之一是其灵活性和重量轻。它们可以使用基于解决方案的工艺(例如喷墨印刷)以柔性卷筒而非刚性面板的形式廉价制造，从而适用于传感器、便携式充电器或可穿戴电子产品等多种应用。OSC还可以设计为半透明或各种颜色，从而与建筑物、窗户或其他结构融为一体。

然而，OSC的功率转换效率(PCE)低于无机太阳能电池。TOSC在一定程度上改变了这种情况。与由供体材料和受体材料组成的传统二元有机太阳能电池不同，TOSC包含额外的第三种成分，通常称为“客体”。引入该客体组件是为了优化太阳能电池运行的各个方面，从调整电池的内部能量流到改进电池将光转换为电能的方式。

对于PCE增益特别令人感兴趣的是，客体成分还可以拓宽可吸收的光谱。通过选择吸收供体或受体未覆盖范围内的光的客体材料，可以增加电池的总体太阳光吸收。同时，可以很好地调节共混膜的形态，其中激子解离、电荷产生和传输进行。

鉴于客体组件可以发挥许多不同的功能，其在太阳能电池“三明治”或矩阵中的特定位置可以从根本上改变性能。该研究的合著者李永海说：“根据其位置，客体组件要么可以闪电般地快速传输能量，要么有助于捕获更多的阳光。”

存在三种不同的位置可能性：嵌入供体材料中、嵌入受体材料中或以某种方式分散在供体和受体的界面之间，形成混合的合金状结构(聚集体)。但到目前为止，很少有人关注来宾组件的位置。

在他们的研究中，研究人员在TOSC中使用了一种名为LA1的客体成分(其结晶度不同于其他客体成分材料)。LA1是一种小分子受体，研究人员用苯烷基侧链进行了修饰，苯烷基侧链是一种官能团(分子内原子的集合，具有自己的一组特性)，常用于光伏器件有机材料的设计。LA1用苯烷基侧链进行修饰，以改善其结晶度和排列，同时保持令人满意的相容性，从而增强其在TOSC中的性能。

此外，研究人员通过调节与主体成分相互作用的各种条件来调节客体成分的分布，包括主体/客体相容性、表面能、晶体动力学和分子间相互作用。通过这样做，他们在大多数客体分子中发现了类似合金的聚集体，这些聚集体也渗透并分散到主体分子中。

令人印象深刻的是，这些嵌入的主体/客体“合金”的晶体尺寸可以很容易地进行微调，以改善电荷传输并抑制电荷复合。结果，研究人员最初能够实现超过15%的PCE增益，然后通过将其客体组件与作为主体组件的Y6受体家族相结合，他们实现了超过19%的更高效率增益。

研究人员认为他们已经取得了相当大的实验成功，但这些成果的驱动力在理论上仍然不太清楚。展望未来，研究人员希望更好地阐明这些潜在机制。