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《先进材料》：在空气中采用单一非卤溶剂刮涂可实现效率超过10%的有机太阳能电池

文章来源：未知更新时间：2018-02-28 10:57:44

聚合物太阳电池是一种新型全固态薄膜电池，与传统的无机晶硅电池有非常强的互补性，在光伏建筑、便携式能源等领域具有十分广阔的应用前景。有机太阳能电池在实际工作条件（例如空气湿度、温度等）以及大面积印刷过程中所表现出的性能都不是特别理想，这严重制约了产业化进程。因此，全面阐述在印刷条件下加工参数、聚集态结构与器件性能三者之间的相互关系对推进产业化进程具有重要的指导意义。

美国北卡罗来纳州立大学博士后研究员叶龙及研究团队近年来致力于绿色溶剂印刷有机太阳能电池的研究。在前期的研究中，他们开发了在空气中采用绿色溶剂（2-甲基苯甲醚）刮涂有机太阳能电池的工艺（Chem. Mater. 2016, 28, 7451-7458），并在聚合物-富勒烯太阳能电池实现了8%以上的能量转换效率，该工作发表后被物理学家组织网站（Phys Org）以“Food additive key to environmentally friendly, efficient, plasticsolar cells”为题做了新闻评述。他们进一步报道了精准调控全聚合物太阳能电池多尺度形貌及器件性能的方法（Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1702016）。

近日，叶龙博士、研究助理熊元及合作者北卡大学教堂山分校尤为教授和中科院化学所侯剑辉研究员在这方向取得新的突破。该研究工作以“Surpassing 10% Efficiency Benchmark for Nonfullerene Organic Solar Cells by Scalable Coating in Air from Single Nonhalogenated Solvent”为题于2018年2月19日正式发表在《先进材料》上（Adv. Mater. 2018, 30, 1705485），并入选了杂志当期的Inside Back Cover。在该项研究中，研究人员首先发现了一种新的聚合物-非富勒烯材料体系FTAZ:IT-M可以在旋涂器件中取得了超过12%的能量转换效率。以FTAZ:IT-M为模型体系，他们详细地对比研究了三种非卤溶剂（甲苯、二甲苯、三甲苯）刮涂薄膜的光伏特性、分子排列、成膜动力学、介观形貌等。

基于掠入射硬X射线衍射、共振软X射线散射、原位椭偏仪等技术的分析，他们建立了刮涂有机太阳能电池中加工溶剂、微观形貌与器件性能之间的相互关系。研究表明采用甲苯作为加工溶剂时，薄膜的π-π相干长度最大、面外堆积有序度最高、相纯度最高、相区尺寸最小，从而器件可以获得最高的短路电流、填充因子以及能量转换效率。在相对湿度为50%的空气中，他们采用甲苯作为单一溶剂刮涂仍可以取得11%的能量转换效率，这也是该类器件文献报道的最高值。值得指出的是，该器件的热稳定性和溶液稳定性也非常突出。该工作为印刷低成本、环境友好、稳定的有机太阳能电池提供了重要的参考。

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