顶刊动态 | EES/Angew等近期有机太阳能电池学术进展【新能源周报第22期】

有机太阳能电池和有机-无机杂化金属卤化物钙钛矿太阳能电池已经被看作是两个有前途的光伏发电技术，得到了广大研究者的密切关注。另外，受体材料的研究对于有机太阳能电池也是至关重要的。本期新能源周报带大家来看看近期关于这些方面的学术进展。

1.Energy Environ. Sci.:基于n型高分子添加剂的高效-稳定有机太阳能电池

图一 随温度变化器件性能的变化

富勒烯体异质结（BHJ）有机太阳能电池（OSC）被视为目前有前途的光伏技术，目前光电转换效率已经突破10%。然而嵌入的富勒烯聚合物相缺乏形态稳定性，通常被称为亚稳态，而造成PCE的严重损失阻碍其实际应用。因而如何提高有机太阳能电池效率和的稳定性是必要的。

基于此，韩国蔚山科学技术大学的Changduk Yanga（通讯作者）课题组第一个使用n型高分子添加剂P（NDI2OD-T2）取代PTB7系列聚合物作为嵌入层而同时提高和稳定有机太阳能的性能。取得了11.6％的光电转换效率并提高了其热稳定性。此外，在无ITO的柔性PET基板上使用H-P（NDI2OD-T2）聚合物获得了5.66％的光电转换效率。这项研究具有广泛的适用性，在加速光伏技术的商业可行性方面潜力巨大。

原文链接：The use of n-type macromolecular additive as a simple yet effective tool for improving and stabilizing the performance of organic solar cells (Energ. Environ. Sci., 2016, DOI: 10.1039/C6EE02255C)

2.Angew. Chem. Int. Ed.:杂硫富瓦烯官能团的吡咯并吡咯二酮富勒烯有机对子构成的单组分高效有机太阳能电池

图二 设备配置示意图和DPP-Ful完整的能级图

有机太阳能电池（OSC）以其重量轻，机械柔性好，易制造，透明度高，成本效益高等优点已引起学术界和工业界的极大关注。OSC的PCE主要取决于互穿在共混膜的供体和受体的界面处形成的纳米尺寸的结构化网络，其中纳米尺寸的结构化网络作为有效的电荷传输载体，同时因聚合富勒烯具有高电子亲合能，通常作为受体，所以通过分子设计优化供体单元将极大的提高PCE。

基于此，印度太阳能网络研究所（CSIR-NISE）和科学创新研究院（AcSIR）的Surya Prakash Singh（通讯作者）课题组设计并只制备了含有杂硫富瓦烯官能团的吡咯并吡咯二酮富勒烯有机对子构成的单组分高效有机太阳能电池，其中含有杂硫富瓦烯官能团的吡咯并吡咯二酮作为供体，C₆₀（富勒烯）作为受体，它们由共价键连接在一起。该器件的Voc达到0.663V，Jsc达到6.708 mA cm^-2，FF 达到0.488，并获得了2.167％的光电转换效率。该项研究给高效率有机太阳能电池提供了新的设计思路。

原文链接:  An Organic Dyad Composed of Diathiafulvalene-Functionalized Diketopyrrolopyrrole–Fullerene for Single-Component High-Efficiency Organic Solar Cells(Angew. Chem. Int. Ed., 2016, DOI: 10.1002/anie.201602969)

 3.Adv. Energy Mater.：异质结耗尽型粗粒度B-γ-CsSnI₃无铅钙钛矿薄膜太阳能电池

图三 B-γ-CsSnI₃薄膜的一步法制备及晶粒粗化示意图

目前钙钛矿型太阳能电池以低成本和高效率逐渐成为可再生能源发电技术的突破口。然而，钙钛矿电池具有的潜在毒性成为现在主要关切的问题之一。在此，粗粒度的B-γ-CsSnI₃薄膜钙钛矿电池以高效的光吸收效率和无铅特性引起了注意。然而，制备纯相的B-γ-CsSnI3吸收层很困难，同时锡空位（V_SN）会破坏B-γ-CsSnI₃结构，从而导致其“金属化”，并且在以往文献中很少有基于B-γ-CsSnI₃作为光吸收层的钙钛矿太阳能电池的报道。

基于此，布朗大学工程学院的Yuanyuan Zhou 、Nitin P. Padture和南方科技大学的孙小卫（共同通讯）课题组通过旋涂和晶粒粗化的调节并采用最佳的PSC架构制备了一种异质结耗尽型的粗粒度B-γ-CsSnI₃无铅钙钛矿薄膜太阳能电池。相比于之前同类型钙钛矿电池，这种平面器件拥有更加优异的电化学性能。该器件的Voc达到0.52V，Jsc达到10.21 mA cm^-2，FF 达到0.625，并获得了3.31％的光电转换效率，同时具有更好的热稳定性。这项研究为未来制备高性能的无铅钙钛矿电池提供了重要指导。

原文链接:  Heterojunction-Depleted Lead-Free Perovskite Solar Cells with Coarse-Grained B-γ-CsSnI3 Thin Films (Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/aenm.201601130)

 4.Adv. Energy Mater.:应用于有机钙钛矿太阳能电池受体和阴极缓冲层材料的富勒烯衍生物

图四 阴极缓冲层的器件结构

有机太阳能电池（OSC）和有机-无机杂化金属卤化物钙钛矿太阳能电池（pero-SCs）已经被看作是两个有前途的光伏发电技术。在最新的报道中其能量转换效率分别已经超过10％和20％。富勒烯衍生物作为受体和阴极缓冲层材料在其中扮演着重要角色，但是在以往文献中报道很少。

基于此，苏州大学的李耀文和李永舫（共同通讯）课题组提供最近关于富勒烯衍生物作为受体和阴极缓冲层材料的有机钙钛矿型太阳能电池的全面概述。富勒烯衍生物有很独特的物理化学性质，有很强的电子亲和能，能够很好的提高电子迁移率，通过界面修饰调节激子扩散长度，能够显著提高器件的光电性能和稳定性。本项研究工作表明富勒烯衍生物在有机太阳能电池和有机-无机杂化钙钛矿型太阳能电池领域的巨大适用性。

原文链接：Fullerene Derivatives for the Applications as Acceptor and Cathode Buffer Layer Materials for Organic and Perovskite Solar Cells (Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/aenm.201601251)

5.Adv. Energy Mater.:耐辐射并可自愈的钙钛矿太阳能电池

图五 钙钛矿电池结构横截面的SEM图及相关表征图

目前，有机-无机杂化金属卤化物（CH₃NH₃PbI₃）钙钛矿太阳能电池显示出了优秀的器件性能，并且在很短的时间内效率就超过了20%。钙钛矿材料可调节的带隙使它制备出效率很高的多节电池。但是在太空中应用的光伏器件，高能的太空辐射会造成器件内部的晶体缺陷，严重削弱了器件的性能，因此制备耐高能辐射的太能电池很有必要。

基于此，亥姆霍兹柏林有限公司硅太阳能电池研究所的Felix Lang(通讯作者) 课题组设计并制备了反型钙钛矿太阳能电池，其结构为：glass/ITO/PEDOT:PSS/CH₃NH₃PbI₃/PCBM/BCP/Ag，这成功避免了J-V特性的滞后效应。在68 MeV的辐照下，钙钛矿吸收层可以承受高达10¹² p cm⁻²的辐射剂量，其超过c-Si的损伤阈值几乎3个数量级。此外，当辐照终止后钙钛矿层的自愈过程开始并表现为J_SC恢复，10天后与参照装置相比，该装置的VOC和FF均显著增强。具有耐辐射性和自愈能力的CH₃NH₃PbI₃钙钛矿电池将在太阳能电池的太空应用领域有很大的前景。

原文链接：Radiation Hardness and Self-Healing of Perovskite Solar Cells (Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201603326)

6.Adv. Energy Mater.：基于聚噻吩衍生物制备的高效无富勒烯聚合物太阳能电池

图六 基于聚噻吩衍生物的太阳能电池性能表征图

在过去的几十年中，富勒烯衍生物，即PC₆₁BM和PC₇₁BM，被广泛研究并基于此制备出高性能的钙钛矿太阳能电池。但由于其在可见光谱中具有相对窄的吸收带隙，严重限制了基于富勒烯衍生物的钙钛矿电池的性能。因此寻找一种替代富勒烯衍生物的非富勒烯小分子受体是必要的也是极具挑战的。

基于此，高丽大学的Han Young Woo和中国科学院化学研究所的侯剑辉（共同通讯）课题组基于聚噻吩衍生物制备出了高效无富勒烯聚合物太阳能电池，该器件的Voc达到0.94V，Jsc达到16.50 mA cm^-2，FF 达到0.6567，并获得了高达10.16％的光电转换效率，这也是目前所报道的最高效率。因为该聚噻吩聚合物具有合成容易和良好的稳定性等优点，这项研究在高效低成本钙钛矿电池的实际应用领域有很广阔的前景。

原文链接:  Highly Efficient Fullerene-Free Polymer Solar Cells Fabricated with Polythiophene Derivative (Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201601803)

7.Adv. Energy Mater.:通过调节小分子电子受体能级实现效率超过12％的聚合物太阳能电池

图七 PBDB-T, ITIC, IT-M, IT-DM等聚合物的吸收光谱及能级示意图

在聚合物太阳能电池（PSCs）中，通过化学修饰的方法调节光伏材料的电子轨道能级从而提高太阳能电池的效率非常重要。近年来，非富勒烯（NF）受体由于具备低成本合成的潜力和通过化学修饰就高度可调的性能而备受关注。但是如何精确提高NF-受体的最低空轨道（LUMO）的能级而不妨碍其光学和形态学性质是分子工程上的一项挑战。

基于此，北卡罗莱纳州立大学的Harald Ade和中国科学院化学研究所的侯剑辉（共同通讯）课题组通过合理设计和化学修饰，将甲基修饰在端基（DCI-M和DCI-DM）上而合成了两个新的分子受体IT-M和IT-DM。基于两种新的分子受体，制备的器件分别获得了0.94V和0.97 V的V_OC值。并获得了最高为12.05％和11.6％的光电转换效率。这项研究成功证明了精确调节电子受体的能级的对提高聚合物太阳能电池性能至关重要。

原文链接：Energy-Level Modulation of Small-Molecule Electron Acceptors to Achieve over 12% Efficiency in Polymer Solar Cells (Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201602776)

8.Adv. Energy Mater.:结合富勒烯和非富勒烯的受体来协同提高光伏性能的三元共混聚合物太阳能电池

图八 器件的性能表征图

过去几年，三元共混聚合物太阳能电池作为一种新型的共混结构电池，由于其优秀的潜质受到国内外研究学者的广泛关注。相较于传统的二元共混聚合物太阳能电池，这种三元共混结构通过扩展光吸收的范围,从而提高短路电流密度(Jsc)和光电转换效率(PCE)。然而，基于富勒烯作为受体的器件有着吸收系数低，受体与供体能级不匹配等缺点，且不能被消除。如何解决这些问题是一项巨大的挑战。

基于此，北京师范大学的徐新军、薄志山和西安交通大学的马伟（共同通讯）课题组首次采用包含富勒烯衍生物和非富勒烯小分子的聚合物作为受体制备出了三元共混聚合物太阳能电池。当PPBDTBT:ITIC:PC71BM为1:1.2:0.8时，该器件的Voc达到0.898V，Jsc达到16.82 mA cm^-2，FF 达到0.6826，并获得最高为10.4%的光电转换效率（比二元参考器件增强了约35％）。该项研究为快速增强三元共混聚合物太阳能电池的性能方面提供一个有希望的途径。

原文链接：Ternary-Blend Polymer Solar Cells Combining Fullerene and Nonfullerene Acceptors to Synergistically Boost the Photovoltaic Performance (Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201603588)

本文由材料人编辑部新能源学术组 backsingularity 供稿，点这里加入材料人的大家庭。参与新能源话题讨论请加入“材料人新能源材料交流群 422065952”，欢迎关注微信公众号，微信搜索“新能源前线”或扫码关注。