光伏電池的能量轉(zhuǎn)換效率、壽命和成本是決定其是否具有應(yīng)用價(jià)值的重要指標(biāo)。由于傳統(tǒng)晶硅電池在大規(guī)模發(fā)電方面具有巨大優(yōu)勢，因此新型光伏技術(shù)走向產(chǎn)業(yè)化，必須依據(jù)其技術(shù)特征尋求最具競爭力的應(yīng)用方向。隨著物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，各類分布式微電子產(chǎn)品得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)晶硅電池?zé)o法滿足電子產(chǎn)品的應(yīng)用需求，其在室內(nèi)光照條件下的光伏效率僅有2-6%，其主要原因是吸收光譜嚴(yán)重失配、且在低載流子密度下存在嚴(yán)重電荷復(fù)合效應(yīng)。因此，領(lǐng)域內(nèi)亟待發(fā)展可滿足微電子產(chǎn)品應(yīng)用需求的新型光伏電池。
最近，在國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院的支持下，化學(xué)所高分子物理與化學(xué)實(shí)驗(yàn)室侯劍輝研究員團(tuán)隊(duì)深入研究并發(fā)展了有機(jī)光伏電池在室內(nèi)光下的應(yīng)用。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了新型非富勒烯受體IO-4Cl，與聚合物給體PBDB-TF混合，獲得了吸收光譜與室內(nèi)光源相匹配的光活性層。使用2700 K的LED燈作為光源，在1000 lux輻照強(qiáng)度下，1 cm2電池的開路電壓達(dá)到1.10V，實(shí)現(xiàn)了26.1％的能量轉(zhuǎn)換效率。
圖1 （a）光伏電池應(yīng)用的決定因素。（b）熒光燈、LED燈和太陽的發(fā)射光譜。（c）PBDB-TF和IO-4Cl的吸收光譜（d）給體材料PBDB-TF和受體材料IO-4Cl制備的器件在室內(nèi)光下的穩(wěn)定性。（e）刮涂大面積器件的J-V曲線。（f）LED燈下的效率預(yù)測圖。
研究結(jié)果證明該OPV電池在室內(nèi)光下不僅具有高的光伏效率和優(yōu)異的穩(wěn)定性，而且對于串聯(lián)電阻和活性層厚度不敏感。如：在室內(nèi)光源連續(xù)照射1000小時(shí)后，電池仍保持其初始的光伏性能；使用大面積涂布方法制備的4 cm2電池依然可以實(shí)現(xiàn)23%以上的光伏效率。該團(tuán)隊(duì)與瑞典林雪平大學(xué)的高峰教授團(tuán)隊(duì)密切合作，揭示了這類電池在降低能量損失方面的獨(dú)特優(yōu)勢，并對其極限效率進(jìn)行了合理預(yù)測。結(jié)果表明，OPV電池在室內(nèi)光下的極限光伏效率可達(dá)50%，這意味當(dāng)前取得的光伏效率仍然存在巨大的提升空間。相關(guān)研究工作發(fā)表在近期的《Nature Energy》上（Nat. Energy, 2019, 4, 768）。通訊作者為侯劍輝研究員和高峰教授，第一作者是崔勇博士。
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