科技日报记者 于紫月
记者17日获悉，西安近代化学研究所有机光电材料课题组联合大湾区大学刘莎研究员团队和江汉大学研究团队，在有机太阳能电池的光活性层中，创新性地添加一种液晶分子，使电池的光电转化效率、稳定性、使用寿命等核心指标同步提升，电池的光电转换效率达到国内有机太阳能电池领域一流水平。相关成果发表于国际材料学期刊《先进材料》上。
在有机太阳能电池中，给体材料和受体材料共同构成光活性层。当太阳光照射到光活性层时，材料吸收光能并产生电子和空穴。随后，电子主要向受体一侧传输，而空穴主要向给体一侧传输，并分别通过电极被收集，最终形成电流，实现太阳能向电能的转换。有机太阳能电池具有质量轻、可弯曲、可制备半透明器件以及适用于溶液加工等特点，在柔性光伏、可穿戴电子和建筑光伏等领域具有较大的应用潜力，近年来受到广泛关注。然而，长期以来，电池的效率与稳定性就像不可兼得的“鱼”和“熊掌”，二者同步提升成为制约其走向工程应用的关键瓶颈。
文章第一作者、西安近代化学研究所博士研究生刘淑娟告诉记者，研究团队将液晶分子3UTPP4添加到常见的受体材料BTP-eC9中。以往，BTP-eC9材料制备的活性层薄膜在常温下处于亚稳态，随着器件工作时间增长，易发生分子堆积紊乱和缺陷密度升高，影响电荷输运并威胁器件长期稳定性。液晶分子的加入使其形成了更稳定、整齐的分子堆积结构，带来了两个方面的获益。一是形成了热力学上更稳定的分子堆积结构，提升了器件的长期稳定性。实验结果表明，该电池体系在氮气环境储存1600小时后效率仍能保持初始值的95%，光热稳定性指标T80超过1000小时，电池寿命得到明显提升。另一方面，光吸收层薄膜具备的整齐分子排列方式容易“收集”更多的电子，产生更大电流，使光电转化效率提升至20.73%，达到国内有机太阳能电池领域的一流水平。
同样值得关注的是，在其他受体材料中添加液晶分子3UTPP4这一策略具有普适性。“我们发现，多种受体材料添加液晶分子后，均令电池的效率与稳定性表现出不同程度的双重增益。而液晶材料已经在电子屏幕等显示领域积累了庞大的分子库。”文章通讯作者、西安近代化学研究所博士生导师高潮研究员指出，“未来，随着更多筛选性研究的展开，不同受体材料与液晶分子的组合或将碰撞出令人意想不到的‘火花’，有望推动有机太阳能电池加速迈向高效、长寿，为商业化应用开辟一条新路径。”
（图片来源：西安近代化学研究所）
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