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华南理工大学材料科学与工程学院/发光材料与器件国家重点实验室吴宏滨课题组一项研究成果在Energy & Environmental Science上发表

时间:2019-10-24 10:48      发布人:廖燕菲      阅读:602

近日,RSC出版集团旗下期刊Energy & Environmental Science刊登了华南理工大学材料科学与工程学院/发光材料与器件国家重点实验室吴宏滨课题组与西安近代化学研究所高潮研究员、南方科技大学梁永晔教授等课题组合作发表的研究论文“Assessing Energy Offset between Electron Donor/acceptor Interface in Organic Solar Cells through Radiative Efficiency Measurement”。该成果基于有机太阳电池中给体/受体之间电子能级差对其辐射效率的调制现象,提出了以辐射效率(电致发光效率)测量作为方便、可靠的给体/受体异质结能级差评判方法。

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图示1 有机太阳电池辐射效率受到给受体能级差的调制。不同能级差形成的注入势垒,会影响器件的辐射效率,基于这一原则,作者提出新的给体/受体体异质结能级差评价手段。

二十年来的科学研究表明,采用有机半导体作为核心光电转换材料的有机太阳电池,具有低成本、柔性、可大面积溶液加工等独特优势,是非常具有前景的新一代太阳电池技术。在有机太阳电池中,通常需要电子能级不一的给体和受体材料构成体相异质结,以此离解经光激发后形成的紧束缚电子-空穴对,形成光电流。近年来,得益于全新的小分子受体材料的发展,有机太阳电池的光电转换效率突飞猛进,目前经过认证的能量转化效率已经超过16%。支撑上述迅速发展的材料科学基础在于,近年兴起的非富勒烯基小分子电子受体能够大大降低驱动紧束缚电子-空穴对拆分所需的能级差,从而提高了能量的利用效率。因此,给受体能级差在实现高效光电流产生、降低能量损耗乃至获得高的能量转化效率中起着决定性的作用。然而,目前仍缺乏有效的技术手段对复杂给受体相界面的电子能级差进行准确的评价。

考虑到不同给体/受体异质结的能级差同时对应不同的电致发光载流子注入势垒,研究人员首先系统研究了有代表性的高性能给体/受体材料体系,其电压损失尤其是由于存在非辐射跃迁复合造成的电压损失,对器件的辐射效率的依赖关系。研究表明,随着给体/受体能级差的减小,器件的辐射效率显著提高,且上述电压损失与器件的辐射效率的对数呈显著负相关。这一发现,为以辐射效率作为评判给体/受体之间的能级差大小提供了实验依据。进一步地,利用这个测量方法,结合器件性能和内量子效率的测量结果,统计得到相对最优的给受体能级差—并以辐射效率测量值的方式直观呈现。在此能级差附近,有机太阳电池以最小的能量损失代价实现高效的光电转换,从而获得最高的能量转化效率。结合上述实验结果,基于Shockley−Queisser框架的单结有机太阳的理论极限效率被确定在29-31%之间。

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图示 2 所研究的高性能给体/受体材料体系中,其电压损失尤其是非辐射跃迁复合造成的电压损失,对器件的辐射效率的依赖关系 (a); 要获得最优的能量转化效率,器件需要平衡光电流产生效率和非辐射跃迁复合造成的电压损失,这些具体条件的获得,在实践中可以通过器件的辐射效率测量来确认(b) 。

谢源博士是本研究工作的第一作者,吴宏滨教授是华南理工大学课题组的通讯作者。Energy & Environmental Science是英国皇家化学学会(Royal Society of Chemistry,RSC)的会刊,是国际能源领域的顶级期刊之一。该研究工作得到了中国博士后科学基金会、科技部和国家自然科学基金委等科研项目的资助。

论文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ee/c9ee02939g