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有機(jī)光伏電池憑借其質(zhì)量輕，吸收光譜和機(jī)械性可調(diào)等優(yōu)良特性，成為能源界的潛力寵兒。隨著科研人員的不懈努力，有機(jī)光伏電池經(jīng)歷了不斷的更新?lián)Q代，其能源轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到了18%。然而，相比于它的無機(jī)“同行”（硅基、鈣鈦礦和砷化鎵）們，巨大的能量損耗是有機(jī)光伏電池研究亟待解決的問題，如果在這個方面有所突破，其轉(zhuǎn)換效率必將打破瓶頸，再創(chuàng)新高。

有機(jī)光伏電池中的能量損耗主要來自于輻射性和非輻射性的電荷復(fù)合過程，其中抑制非輻射性電荷復(fù)合過程方面仍然有可以提升的空間。現(xiàn)在主流的策略有兩種：合成新型材料或者優(yōu)化活性表面。中科院化學(xué)所的侯劍輝教授團(tuán)隊聯(lián)合山東大學(xué)郝曉濤教授團(tuán)隊通過在兩層光敏層中間引入第三層的全新策略，有效的減少了非輻射性電荷復(fù)合帶來的能量損耗，從而提高了有機(jī)光伏電池的性能。研究表明，加入的HDO-4Cl成分，會與受體層eC9形成類合金受體相，通過超快光譜以及光電測試等表征手段，發(fā)現(xiàn)HDO-4Cl顯著地增加了激子的擴(kuò)散長度，從而抑制了非輻射性復(fù)合。其18.86%的轉(zhuǎn)換效率，不僅比雙層有機(jī)光伏電池的高，還是現(xiàn)有已被報道的有機(jī)光伏電池中的最高值。該研究以題為“Reduced non-radiative charge recombination enables organic photovoltaic cell approaching 19% efficiency”的論文發(fā)表在最新一期《焦耳》上。

【成分介紹】

該研究的有機(jī)光伏電池由三層結(jié)構(gòu)組成，分別為PBDB-TF、HDO-4Cl和eC9。
【類合金相的形成及表征】

因為第三層光敏層的分布對于三元有機(jī)光伏電池的性能起著至關(guān)重要的作用，接觸角測量用來評估PBDB-TF、HDO-4Cl和eC9之間的可溶性。通過計算可知HDO-4Cl與eC9之間的界面張力為0.18mN/m左右，該值明顯小于PBDB-TF/HDO-4Cl的0.74mN/m以及PBDB-TF/eC9的1.52mN/m，意味著HDO-4Cl與eC9更傾向于形成類合金相。研究者進(jìn)一步測量了二元電池eC9和三元電池HDO-4Cl:eC9中受體的光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY），產(chǎn)率分別為2.3%和4.2%，更高的產(chǎn)率說明在HDO-4Cl:eC9中形成了共平面共軛系，也證實了類合金相的形成。
通過計算外量子效率（EQE），可以得知，在對比PBDB-TF:eC9、PBDB-TF:HDO-4Cl:eC9和PBDB-TF:HDO-4Cl時，三元光伏電池的非輻射性復(fù)合能量損失為最低的0.19eV，證實了新策略可以有效的抑制非輻射性電荷復(fù)合過程。

【激子擴(kuò)散長度與電池性能的探究】

在進(jìn)行了原子力顯微鏡（AFM）、透射電子顯微鏡（TEM）以及廣角X射線衍射（GIWAXS）等表征后，發(fā)現(xiàn)新的三元有機(jī)光伏電池的分離相表面形態(tài)和晶體形態(tài)與其二元光伏電池相似，從而證明了提高的轉(zhuǎn)換效率不是受表面形態(tài)的影響。
通過瞬態(tài)吸收光譜測量以及應(yīng)用激子湮沒的機(jī)理，可以在公式LD = （Dτ）1/2的幫助下計算激子的擴(kuò)散長度（LD），計算表明eC9與HDO-4Cl:eC9的擴(kuò)散長度分別為12.2nm和16.3nm，證明了形成的類合金相可以提高擴(kuò)散長度，從而有效的限制非輻射性電荷復(fù)合過程。

【總結(jié)】

作者采用在原有的二元有機(jī)光伏電池的基礎(chǔ)上添加了第三層光敏層，使得激子在結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散長度顯著增加，從而減少了非輻射性電荷復(fù)合過程帶來的能量損耗。這種方法不但提高了電池的能量轉(zhuǎn)換效率，而且為研究激子行為，優(yōu)化電池性能方面開創(chuàng)了新的思路。 

原標(biāo)題：創(chuàng)紀(jì)錄！有機(jī)光伏轉(zhuǎn)化效率達(dá)到18.86%