有機太陽能電池的柔性特征和該工作主要結果

南開大學陳永勝教授團隊和中科院國家納米科學中心丁黎明研究員等合作在有機太陽能電池領域研究中獲突破性進展。他們設計和制備的具有高效、寬光譜吸收特性的疊層有機太陽能電池材料和器件，實現(xiàn)了17.3%的光電轉化效率，刷新了目前文獻報道的有機/高分子太陽能電池光電轉化效率的世界最高紀錄。這一最新成果讓有機太陽能電池距離產(chǎn)業(yè)化更近一步。

該研究的論文在線發(fā)表于國際頂級學術期刊《科學》（Science）上。

有機太陽能電池是解決環(huán)境污染、能源危機的有效途徑之一，其在質輕、柔軟、半透明、可大面積低成本印刷、環(huán)境友好等方面都遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)太陽能電池，被認為是具有重大產(chǎn)業(yè)前景的新一代綠色能源技術。然而，實現(xiàn)高效率的太陽能電能轉化是有機太陽能電池研究的核心難題。雖然近年來有機太陽能電池研究獲得了迅猛發(fā)展，實現(xiàn)了14%~15%的光電轉化效率，但仍遠遠落后于其它主要以無機材料（如硅）為主的太陽能電池轉化效率。

“主要原因在于，有機高分子材料本身較低的載流子遷移率限制了活性層厚度，因此太陽光不能夠獲得充分和有效的利用?！标愑绖俳淌谡f。

據(jù)介紹，疊層太陽能電池不僅可以克服上述難題，還可以充分發(fā)揮有機和高分子材料結構和性質優(yōu)良的可調性特征，通過疊層電池中前后電池中活性材料互補的光吸收，更有效地利用太陽光，從而實現(xiàn)更高的能量轉換效率。

疊層有機光伏電池的性能

陳永勝教授團隊與中科院國家納米科學中心丁黎明研究員、華南理工大學葉軒立教授研究團隊合作，首先利用半經(jīng)驗模型，從理論上預測了有機太陽能電池實際可以達到的最高效率和理想活性層材料的參數(shù)要求。在此基礎上，他們以在可見光區(qū)域和近紅外區(qū)域具有良好互補吸收的PBDB-T:F-M和PTB7-Th:O6T-4F:PC71BM分別作為前電池和后電池的活性層材料，采用成本低廉與工業(yè)化生產(chǎn)兼容的溶液加工方法制備得到了高效的有機太陽能墊層器件，獲得了17.3%的驗證效率。

預測疊層OPV效率（AM1.5G）

后電池活性材料分子結構及其單結電池性能

該團隊研究人員介紹，依據(jù)該工作提出的模型和設計原理，結合有機高分子材料結構的多樣性和可調性，通過對材料和器件的進一步優(yōu)化，非常有望獲得和無機材料類似的能量轉化效率，從而為有機太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化提供有力技術支撐。

“依據(jù)我們提出的半經(jīng)驗模型預測，有機太陽能電池（墊層）的最高轉化效率理論上可以達到20%以上。本次工作中，我們同時也對電池的壽命進行了初步試驗，發(fā)現(xiàn)166天實驗后電池效率僅降低4%。未來，我們將繼續(xù)設計新的材料，在進一步提高能量轉化效率的同時，針對電池壽命問題進行系統(tǒng)的實驗，爭取讓有機太陽能電池早日從實驗室走向實際應用?！标愑绖俳淌谡f。

論文第一作者是南開大學2016級碩士研究生孟令賢，通訊作者是南開大學陳永勝教授、萬相見教授和國家納米科學中心丁黎明研究員。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委、天津市科委和南開大學的項目支持。