近年來,A-DA’D-A型窄帶隙小分子受體資料的出現使得有機太陽電池在太陽光譜近紅外部分的利用率大幅提高,電池的能量轉化效率得到快速提升,已經處在由實驗室向大規模商業化應用的轉折點。現時限制有機太陽電池走向應用的一個重要因素是有機小分子受體的光穩定性尚不理想,尤其在紫外光照下存在穩定性的問題。
在國家自然科學基金委和科技部重點研發計畫的支持下,化學研究所有機固體院重點實驗室李永舫課題組結合鈣鈦礦太陽電池紫外光穩定性好、有機太陽電池吸收光譜寬的優點,利用寬帶隙鈣鈦礦資料作為前結電池的活性層,吸收紫外至650 nm的短波長太陽光、窄帶隙有機光伏資料作為後結電池的活性層,吸收650~1050 nm左右的長波長太陽光,構築了新型鈣鈦礦/有機疊層太陽電池(圖1a)。得益於鈣鈦礦太陽電池較寬的帶隙和出色的紫外光穩定性,其作為前結電池時可以防止紫外光對後結有機太陽電池的破壞,使得鈣鈦礦/有機疊層電池獲得出色的連續光照輸出穩定性。
在窄帶隙有機光伏資料方面,課題組2017年在A-D-A型稠環電子受體ITIC的中心稠環D-單元與末端A-單元之間再插入一個碳碳雙鍵,拓寬了分子的吸收光譜(Chem.Mater.2017,29,10130-10138)。2020年,將此策略拓展到A-DA’D- A類窄帶隙小分子受體中,通過在稠環中心核和端基之間插入雙鍵,設計並合成了一系列新型窄帶隙受體(BTPV-4F、BTPV-4F-eC9等)。此類窄帶隙小分子的薄膜吸收邊紅移至1050 nm以上,具有高短路電流,已被成功應用於有機疊層太陽電池(Nat.Commun.2021,12,178;Adv. Funct.Mater. 2021,31,2102361)。最近,課題組在前期基礎上通過氯取代得到BTPV-4Cl-eC9(圖1b),進一步將帶隙降低至1.22 eV。
在寬帶隙鈣鈦礦資料方面,課題組通過在寬帶隙鈣鈦礦前驅液中加入氯甲脒鹽酸鹽,成功减小了寬帶隙鈣鈦礦電池的電壓損失。理論計算表明氯甲脒陽離子可以同時鈍化鈣鈦礦薄膜體相中的碘離子空位和鉛占碘比特等缺陷,光致螢光和瞬態光致螢光等測試證明了體相缺陷以及帶尾態的顯著减少。同時,氯甲脒陽離子的加入有助於鈣鈦礦晶粒的高品質生長。他們在1.78 eV寬帶隙鈣鈦礦單結電池中,獲得了1.25 V的開路電壓、83.0%的填充因數與17.6%的光電轉換效率,是p-i-n結構寬帶隙鈣鈦礦電池的最高值之一。
最終,由低能量損失的寬帶隙鈣鈦礦前結電池和窄帶隙有機後結電池構建了鈣鈦礦/有機疊層太陽電池(圖1c,1d),獲得了22.0%的光電轉換效率,為現時文獻報導的鈣鈦礦/有機疊層太陽電池最高效率之一,同時得益於鈣鈦礦出色的紫外光穩定性,鈣鈦礦/有機疊層太陽電池亦表現出優异的紫外光照穩定性。這一成果近期發表在Advanced Materials上(Adv. Mater. 2022,2108829),文章第一作者是博士生秦書誠,通訊作者為孟磊研究員和李永舫研究員。
圖1.(a)雙結疊層太陽電池效率與前後結活性層帶隙匹配類比圖;(b)有機後結太陽電池中使用的給體、受體材料化學結構;(c)鈣鈦礦/有機疊層太陽電池截面SEM影像;(d)能級排布圖。