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理大科研团队在有机太阳能电池领域取得重大突破

日期:2023/5/31 11:38:39 阅读:622

理大科研团队在有机太阳能电池(OSC)领域取得重大突破,首次实现了在二元OSC(即光活化层中只有供体和受体)的条件下,成功提高有机太阳能电池功率转换效率至19.31%,创下纪录新高。


“功率转换效率”是衡量光伏或太阳能电池板性能的重要指标,主要用于测量太阳辐射产生的能量。理大团队的这一重要研究成果将进一步提高先进太阳能光伏器件的应用价值,推动可再生能源技术的发展。理大电子及资讯工程学系能源转换技术讲座教授、钟士元爵士可再生能源教授李刚教授带领的研究团队,发明了一种创新的“OSC形貌调控技术”,采用“1,3,5-三氯苯”(1,3,5-trichlorobenzene)作为有机光伏体异质结“结晶调节剂”(crystallisation regulator),从而提高OSC的效率和稳定性。


李刚教授


研究显示,“结晶调节剂”可实现新颖的“非单调中间态调控(ISM -intermediated state manipulation)策略”,从而控制体异质结的OSC形貌、优化非富勒烯受体OSC的结晶动力学过程,并能有效降低光电转换能量损失。不同于传统上使用溶剂添加剂时所导致的薄膜分子过度聚集,非单调中间态调控策略有助形成更有序的分子堆叠和合适的分子聚集。这项研究通过减少非辐射复合的损失使效率明显提升,特别是非辐射复合过程会降低光的生成效率、增加热能损失。


将太阳能转化为电能是实现可持续发展环境的重要解决方案,OSC作为太阳能器件的最大优势是成本效益。不过,抑制非辐射复合损失和提高性能是当前OSC研究的核心问题;要实现在实际生活场景中的广泛应用,提高其转换效率至关重要。李刚教授说:“过往研究的挑战源于既有的基准形貌控制(即添加剂)方法,会因过度聚集而出现非辐射复合损失,导致开路电压降低。”


研究团队花了约两年时间发掘出新型“结晶调节剂”,并清晰显示非单调中间态调控这种新颖策略的科学机理,既能降低非辐射复合损失,也可提高OSC效率。目前,该项研究成果已在国际科学期刊《自然通讯》发表,题目是《以非单调中间态转化实现效率达19.31%的二元有机太阳能电池及低非辐射复合》(19.3% binary organic solar cell and low non-radiative recombination enabled by non-monotonic intermediate state transition)。相关成果将为OSC的未来研究带来重大启发和希望。


李刚教授补充道:“新的研究成果将在OSC领域持续发展,拓展各种实际应用,比如可穿戴电子产品,甚至是光伏建筑一体化。”理大的单结光伏OSC已实现接近20%的功率转换效率,不仅性能更稳定,而且兼具灵活、透明、可延伸、轻巧和可定制颜色等独特优点,其应用前景相比传统太阳能电池也更广泛。


自2014年以来,李刚教授连续9年被评为“高被引科学家”,他在OSC方面的研究对涂布型太阳能的发展做出了诸多贡献。作为有机太阳能电池领域的专家,李刚教授不断取得科研突破,他分享道:“我们最新的研究结果显示,在超过19%的二元OSC中,非辐射组合损失可低至0.168eV,创下了新纪录。过去十余年来,我专注于OSC的研究,这次获得令人鼓舞的成果、开发出更高效率的OSC,将有助加强太阳能的实际应用。”