【Advanced Functional Materials(IF>19.924)】UNIST Changduk Yang教授團隊開發18.2%效率穩定性極佳的新型吸電子層材料H75有機太陽能電池
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重點摘要
- 韓國蔚山科學技術院UNIST Changduk Yang教授研究團隊開發新型吸電子層材料H75,有機太陽能電池效率達18.2%。
- H75-based電池在不同老化條件下,效率衰減僅5%,表現極為穩定。
- H75材料的苯甲醯胺基官能團提升了電池的轉換效率和結構穩定性。
研究背景
有機太陽能電池因具備製程簡便、成本低廉等優勢,被視為下一代光伏技術的重要候選。但目前商業化的瓶頸在於電池效率和穩定性仍待提升。為實現有機太陽能電池的實際應用,進一步增強轉換效率與裝置穩定性是當前的關鍵課題。
研究成果
韓國UNIST大學Changduk Yang教授團隊設計開發了一種新的吸電子層材料H75,將基於H75的有機太陽能電池功率轉換效率提高至18.2%。相比傳統電池,H75-based有機太陽能電池在不同老化環境下表現優異,1500小時長期存放效率衰減不到5%,光照老化和高溫嘗試中的T80 lifetime優於1000小時。
蔚山科學技術院位於有著韓國工業首都之稱的蔚山廣域市，是韓國四大國立科學技術院之一（其餘三所分別是:韓國科學技術院、光州科學技術院以及大邱慶北科學技術院），成立至今一直致力於發展成為韓國最優秀的國立大學乃至引領世界的理工類大學。蔚山科學技術院UNIST於2019年安裝EnlitechQE-R 量子效率系統後，分別在2020年8月、2022年1月、2022年12月連續在NREL(美國國家可再生能源實驗室)太陽能電池Interactive Best Research-Cell Efficiency Chart單節鈣鈦礦太陽能電池領域創下2020年8月(25.5%)、2022年1月(25.7%)、2022年12月(25.8%)紀錄。
研究人員使用光焱科技公司的QE-R量子效率系統進行了電池效率和量子效率的測試。測試結果顯示,H75材料明顯提升了電池的轉換效率和裝置穩定性。研究團隊認為H75材料中的苯甲醯胺基官能團提升了薄膜的形成能力、能階匹配性,並降低了聚集效應,這是使電池性能得到全面提升的關鍵因素。
這項成果展現了H75材料在構建高效穩定的有機太陽能電池方面的巨大潛力。相信在不久的將來,經過進一步的優化,基於H75的有機光伏裝置必將大放異彩,為可再生能源的發展做出更大貢獻。
研究方法
- 通過Suzuki偶联反应,以1,7-Dibromoperylene-3,4,9,10-tetracarboxylic acid為起始原料,先后合成Intermediate PDIN-Br2和最后產物H75,在吸電子傳輸層中引入苯甲醯胺基官能團。
- 分別以H75、PDIN和PDINN三種材料為電子傳輸層,製備D18:Y6體系的有機太陽能電池,測試其光電轉換效率。
- 分別進行長期存放、高溫、光照老化、潮濕和大氣穩定性測試,考察未封裝的有機太陽能電池的穩定性。
- 通過1H NMR、13C NMR、質譜等手段表征H75的化學結構,並運用熱重分析、紫外光譜等分析其熱穩定性和光穩定性。
- 使用原子力顯微鏡、GIWAXS等手段研究H75薄膜的形態學結構,解析其分子設計優勢。
結論
本研究開發的H75材料明顯提升了有機太陽能電池的功率轉換效率與裝置穩定性。提供了構建高效穩定吸電子傳輸層的分子設計策略。該成果為實現有機光伏技術的實際應用提供了可能性。
關鍵字
QE-R、UNIST
原文連結：
本文發表於2022年5月19日
https://doi.org/10.1002/adfm.202303386
