疊層器件結(jié)構(gòu)可有效拓寬太陽(yáng)能電池的光響應(yīng)范圍，在提升各種類型光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)方面具有重要應(yīng)用。相比于單結(jié)電池，疊層電池中涉及更多類型的光電活性和電極修飾層材料、且具有更加復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高效率的疊層電池材料與器件制備是一項(xiàng)十分具有挑戰(zhàn)性的工作。在關(guān)鍵材料方面，高效率疊層有機(jī)太陽(yáng)能電池需要分別具有較寬和較窄光學(xué)帶隙的子電池活性層材料以及用于聯(lián)結(jié)子電池的中間連接層材料。寬光學(xué)帶隙的子電池用于吸收高能量的短波太陽(yáng)光，易于實(shí)現(xiàn)較高的開(kāi)路電壓，但由于材料的能級(jí)排列方式不夠理想，現(xiàn)有的大多數(shù)寬帶隙有機(jī)光伏活性層材料的開(kāi)路電壓大幅低于理論值。窄光學(xué)帶隙的子電池用于吸收低能量的長(zhǎng)波太陽(yáng)光，易于獲得較高的電流密度，現(xiàn)有的窄帶隙有機(jī)光伏活性層的外量子效率偏低，顯著限制的電流密度的提升。此外，在疊層器件設(shè)計(jì)中，各子電池吸收光譜之間的互補(bǔ)性不夠好也是限制其效率提升的瓶頸因素。有機(jī)疊層電池成功制備之后的多年時(shí)間中，此類電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率一直由國(guó)外研究機(jī)構(gòu)所保持。

中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所高分子物理與化學(xué)實(shí)驗(yàn)室侯劍輝課題組研究人員持續(xù)圍繞疊層有機(jī)光伏電池關(guān)鍵材料和器件制備開(kāi)展了大量研究。首先，研究人員圍繞基于聚合物-富勒烯的有機(jī)光伏電池，系統(tǒng)優(yōu)化了寬帶隙(Adv.Mater.2014,26,5880)和窄帶隙(Chem.Mater.2014,26,3603)的光伏活性層材料以及相應(yīng)的疊層器件制備方法，在2015年和2016年分別實(shí)現(xiàn)了10%和11%的光伏效率(Adv.Mater.2015,27,1189；Adv.Mater.2016,28,5133)，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

研究人員借助團(tuán)隊(duì)在聚合物-非富勒烯型有機(jī)光伏電池中的積累，分別優(yōu)化了非富勒烯型寬、窄帶隙材料和電池制備方法，在寬帶隙電池中實(shí)現(xiàn)了超過(guò)1V的開(kāi)路電壓(Adv.Mater.2017,29,1700254)，在窄帶隙電池中實(shí)現(xiàn)了超過(guò)20mA/cm2的短路電流密度(Adv.Mater.2016,28,8283)?；诖?，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)展了用于制備疊層電池子電池之間連接層的中性導(dǎo)電高分子電極修飾材料(Adv.Mater.2016,28,434；Macromolecules2016,49,8126)，成功構(gòu)建了高效率疊層器件。當(dāng)疊層電池中兩個(gè)子電池之一為富勒烯受體時(shí)，疊層電池的光電轉(zhuǎn)換效率超過(guò)了文獻(xiàn)報(bào)道的最高值，達(dá)到12.8%(Adv.Mater.2017,29,1606340)當(dāng)均采用非富勒烯型光伏活性層子電池時(shí)，電池效率實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步突破，達(dá)到了13.8%(J.Am.Chem.Soc.2017,139,7302)。該結(jié)果大幅超過(guò)了已見(jiàn)報(bào)道的最高結(jié)果，創(chuàng)造了新的疊層有機(jī)光伏電池的世界記錄。

該研究工作得到了中科院和國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。


(a)高效率疊層器件前電池、后電池和中間連接層所使用材料的分子結(jié)構(gòu)。(b)疊層器件J-V曲線。(c)疊層器件EQE曲線。