南京大學(xué)在有機(jī)光伏材料領(lǐng)域取得重大突破
2020-08-07 11:13:39 來(lái)源： 瀏覽次數(shù)：0
太陽(yáng)能是綠色環(huán)�？沙掷m(xù)清潔能源，太陽(yáng)能光伏發(fā)電已成為新興產(chǎn)業(yè)。利用晶硅等無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的傳統(tǒng)光伏發(fā)電造價(jià)昂貴，科學(xué)家便把目光轉(zhuǎn)向有機(jī)材料太陽(yáng)能電池領(lǐng)域。如何實(shí)現(xiàn)更高的光電轉(zhuǎn)化效率，設(shè)計(jì)制備新的有機(jī)光電材料，需要弄清楚發(fā)電的微觀過(guò)程。近日，南京大學(xué)物理學(xué)院團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)最新成果，揭示了高效有機(jī)光伏材料光電轉(zhuǎn)換過(guò)程的新機(jī)制，在線發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)志》上�！缎氯A日?qǐng)?bào)》對(duì)此進(jìn)行了報(bào)道。
中國(guó)科學(xué)家領(lǐng)先有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域
什么是有機(jī)光伏材料？論文通訊作者、南京大學(xué)物理學(xué)院張春峰教授科普道，常見(jiàn)高效的有機(jī)光伏器件采用聚合物給體和小分子受體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，小分子受體材料又包括富勒烯衍生物受體材料和非富勒烯受體材料。
張春峰說(shuō)，由這些有機(jī)光電材料組成的器件具有良好的延展性，類似塑料用來(lái)發(fā)電。"這種材料超薄、柔性，還可折疊，原則上可以貼在車窗表面，也可以像衣服一樣穿在身上，低成本、輕便還容易攜帶，如果提高這種塑料材料的發(fā)電效率，那以后大到太陽(yáng)能建筑、太陽(yáng)能汽車，小到可穿戴設(shè)備、我們的手機(jī)殼，都可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地輕松發(fā)電。"
"在過(guò)去，富勒烯衍生物受體材料因具有良好的電子傳輸性能受到學(xué)界熱切關(guān)注，但因其可見(jiàn)光吸收弱、調(diào)節(jié)能級(jí)較難等缺點(diǎn)，能量轉(zhuǎn)化率最高只達(dá)到11%-12%，繼續(xù)發(fā)展遭遇瓶頸。"張春峰告訴記者，近些年中國(guó)學(xué)者獨(dú)辟蹊徑，發(fā)展了多種非富勒烯受體，器件性能取得了很大突破。受益于非富勒烯受體的開(kāi)發(fā)，單節(jié)器件的能量轉(zhuǎn)換效率已超過(guò)18%，效率甚至可以跟硅基薄膜技術(shù)相比擬，"可以說(shuō)，在有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，中國(guó)科學(xué)家處于比較領(lǐng)先的位置。"
非富勒烯受體材料大幅提高了有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，但至今為止，光電轉(zhuǎn)換的動(dòng)力學(xué)原理還并不清晰。這種塑料材料太陽(yáng)能電池內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換可謂倏忽一瞬，如何捕捉其內(nèi)部的變化過(guò)程？有機(jī)材料接受了光以后，又是如何發(fā)電的？
為了了解該過(guò)程，張春峰團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了極其精細(xì)的超快光譜工作，通過(guò)"慢動(dòng)作"觀察到光子到電子的轉(zhuǎn)換過(guò)程。張春峰打了個(gè)比方說(shuō)，實(shí)驗(yàn)使用了10飛秒的超快脈沖激光光譜學(xué)，相當(dāng)于一臺(tái)極快的"相機(jī)"，一秒鐘產(chǎn)生10的14次方的圖像，這樣可以將一些微小瞬時(shí)的變化信息完整記錄，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)了光子轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)力學(xué)行為。
"過(guò)去大家認(rèn)為界面態(tài)對(duì)光電轉(zhuǎn)換很重要，在實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，非富勒烯體系中，空穴轉(zhuǎn)移過(guò)程中體態(tài)貢獻(xiàn)同等重要。"張春峰表示，實(shí)驗(yàn)明確了分子聚集態(tài)在光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中的重要作用，調(diào)控疇內(nèi)和界面間激發(fā)態(tài)的能級(jí)排列和相互作用有望成為優(yōu)化有機(jī)光伏器件性能的新策略，這個(gè)過(guò)程的厘清，能幫助大家重新設(shè)計(jì)一些新的材料，從而進(jìn)一步提高有機(jī)材料的光電能量轉(zhuǎn)換效率。