南開大學陳永勝團隊贏得國家科學獎,為OPV打了一劑強心針!

南開大學陳永勝教授團隊自2016年起,在有機太陽能電池領域研究獲得突破性進展,于OPV領域成為領導性的研究團隊之一,2018年8月再度發表有機疊層太陽能電池,光電轉換效率從12.7%一下躍升至17.3%,登上Science國際學術期刊,再度刮起一陣OPV旋風。
1月8日,由中共中央與國務院盛大舉行2018年度國家科學技術獎勵大會,其中國家自然學獎38項,包含一等獎1項以及二等獎37項。南開大學陳永勝教授團隊,以「面向能源轉化與存儲的有機和碳納米材料研究」項目(主要完成人員,包含南開大學陳永勝 教授、萬相見 教授、黃毅 教授、田建國 教授,以及天津大學王成揚 教授),榮獲國家自然科學獎二等獎的殊榮與肯定,無疑地為OPV領域打了一劑強心針。
陳永勝教授團隊致力於高性能能源轉換、有機和聚合物功能材料與碳納米功能材料等研究,提出具有確定分子結構的寡聚光伏材料和具有石墨烯本征性質的三維交聯石墨烯體相材料的設計理念,發展出多種新型有機光伏、碳納米及高分子複合材料;在系統研究方面,以分子單元、骨架建構與連接方式等對材料特性的影響,闡明相對應的結構與性能關係。其研究成果豐碩,展示出多種高效新材料、高效有機太陽能電池及能量儲存與轉化器件,多次刷新OPV光電轉換效率紀錄,率新實現石墨烯在能源存儲和轉化器件中的應用。

就讓我們一同來回顧,陳永勝教授團隊如何在OPV有機叠層太陽能電池創下17.3%最高轉換效率紀錄吧!
許多人會將有機太陽能電池與鈣鈦礦電池比較,認為有機太陽能電池難以突破商業應用的可能,甚至認為OPV已到發展盡頭。在OPV領域學術研究呈現一片低迷時,來自南開大學陳永勝教授團隊與中科院國家納米科學中心丁黎明老師、華南理工葉軒立教授合作,在Science國際期刊傳出捷報,實質為OPV打了一劑強心針,正式宣告OPV研發邁入全新開展階段。
此篇論文名"Organic and solution-processed tandem solar cells with 17.3% efficiency."
有機太陽能電池研發關卡多,目前遇到最大的挑戰,即為光電轉換效率與穩定性遠落後於其他太陽能電池(如晶矽電池);但對於OPV的種種優點卻是實現綠能光伏產業的一線希望!像是OPV的可展延、半透明特性,可應用於大面積低成本印刷,以及可有效解決環境污染與能源的危機,這也是許多團隊仍堅守研發OPV領域最主要的原因。

"載流子遷移率低"是限制轉換效率的主因
陳永勝教授指出:「有機高分子材料其本身較低的載流子遷移率,使OPV器件中的活性層厚度和有效光吸收率受到限制。」因此,該團隊首先利用半經驗模型分析(semi-empirical model analysis),利用叠層電池的特性,並充分運用有機和高分子材料結構高度可調性,設計製備出不同子電池活性層的互補光吸收的特性,能更有效地利用太陽光,提高能量轉換效率。

半經驗模型分析與有機材料可調性
該團隊依據半經驗模型預測,意即從理論上預測有機太陽能電池實際可達的最高效率和理想的活性層材料的參數需求,並在此基礎上採用倒置結構(inverted structure)和優化每個子電池的性能。
經仔細評估後,以非富勒烯分子COi8DFIC(也稱為O6T-4F)與供體PTB7-Th和次級受體PC71BM混合成PTB7-Th:O6T-4F:PC71BM,作為後電池的活性材料,在300-1050 nm範圍內可得電流27.98 mA/cm2、Voc ~0.69V、FF=69.8%,以及相對較低的能量損失(energy loss, Eloss) Eloss=0.51 eV
前電池以PBDB-T:F-M為活性材料,在300-750 nm波長範圍內可獲得較高的EQE回應,電流15.96 mA/cm2高開路電壓Voc ~0.94 V、填充因數FF=69.8%,實現對後電池電流和光吸收的最佳匹配。加上,該團隊以成本低且能工業化生產的溶液製備法,製成叠層有機太陽能電池器件,刷新取得17.3%高效突破轉換效率。
上圖:(A) PBDB-T, F-M, PTB7-Th, O6T-4F and PC71BM結構(圖片來源:摘自論文)

▲上圖:(B) PBDB-T:F-M和PTB7-Th:O6F-4F:PC71BM薄膜分別之吸收光譜資料;(C)J-V曲線(圖片來源:摘自論文)

陳永勝教授指出,叠層有機太陽能電池的最高轉換效呂理論值其實可達20%以上,同時也對電池壽命進行初步試驗,經過166天實驗後,性能損失僅為4%;未來團隊將持續設計新型材料,進一步提高能量轉換效率,針對電池壽命問題進行系統的實驗,爭取讓有機太陽能電池早日從實驗室走向實際應用。

半經驗模型分析與實際EQE測量
圖一:在AM 1.5G下,以半經驗模型分析並預測2T叠層太陽能電池之PCE

(A)PCE、EQE、λonset, rear cell假設每個子電池的能量損失Eloss0.4-0.8eV範圍內、FF固定為0.75。 (B)PCE、EQE、λonset, rear cell假設Eloss0.6 eVFF0.75(C)PCE、EQE、λonset, rear cell;Eloss0.4, 0.5, 0.6, 0.66, 0.7, 0.760.8eV,FF0.75,EQE75%。 (D)PCE、Eloss和後電池的λonset假設EQE75%,FF0.75。(圖片來源:摘自論文)

圖二:以Enli Tech光焱科技QE-R太陽能電池量子效率量測儀器,測量PBDB-T:F-M和PTB7-Th:O6F-4F:PC71BM所製備的單結器件之EQE曲線,QE-R可測得波長範圍為300-1100 nm,涵蓋該器件300-1050 nm所需波長範圍,採用單色光面積光強,使測試中擁有極佳信噪比,快速、穩定與高度重複性完成器件量測。
(圖片來源:摘自論文)
圖三:叠層太陽能電池之光學類比與光伏性能
(A)叠層電池的器件架構;(B)叠層太陽能電池的能級圖;(C)叠層電池中產生的類比電流密度隨有源層的厚度變化;(D)J-V曲線;(E)優化叠層太陽能電池的EQE 1-reflectance;(F)在不同光強下4.97112.68 mW/cm2叠層電池的J-V曲線。在圖E中的720 nm處的點垂直線,是兩個子電池的EQE圖的交叉點,並且985 nm處的點垂直線表示後電池的有效吸收上升位置(假設50%EQE)。

小結:
有機太陽能電池製備技術長江後浪推前浪,陳永勝教授團隊將碳與塑膠兩種不同的有機材料層結合在一起,展現叠層有機太陽能電池不僅可以克服材料分子結構鬆散難題,還充分利用有機高分子材料的特性,有效利用太陽光,最終轉換效率提升至 17.3%!雖然OPV轉換效率仍不敵鈣鈦礦和傳統晶矽電池,但像是晶矽電池目前仍有許多挑戰待解決,其耐用性、成本高與環保等問題;因此,仍有不少科學家持續堅持研發有機太陽能電池,開始使用有機、生物材料或納米科技等技術來發電,雖然目前這熙來在研發階段,尚未跨出實驗室,但隨著研究發展從而激發出新的技術,而新的技術將為光伏產業帶來更多元的太陽光電解決方案,除了期盼能再次突破轉換效率,亦能真正達成綠能光電的理想。

論文原文:
Organic and solution-processed tandem solar cells with 17.3% efficiency.
Lingxian Meng, Yamin Zhang, Xiangjian Wan, Chenxi Li, Xin Zhang, Yanbo Wang, Xin Ke, Zuo Xiao, Liming Ding, Ruoxi Xia, Hin-Lap Yip, Yong Cao, Yongsheng Chen.
Science  14 Sep 2018: Vol. 361, Issue 6407, pp. 1094-1098, DOI: 10.1126/science.aat2612
2019-01-10