客观日本

日本造出寿命增至15倍的高效3μm超薄有机光伏电池

2020年03月23日 电子电气

日本理化学研究所(简称“理研”)的专职研究员福田宪二郎和主任研究员染谷隆夫等组成的国际联合研究团队,成功开发了同时具备高能源转换效率和长期稳定性的超薄有机光伏电池。该研究成果有望作为可穿戴电子设备及软机器人用传感器和致动器等的轻量柔性电源使用。

日本造出寿命增至15倍的高效3μm超薄有机光伏电池

图1:兼具高能源转换效率和长期保持稳定性的超薄有机光伏电池

此次开发的有机光伏电池非常薄,从基板到封装膜全部加在一起的膜厚只有3μm。但能源转换效率却能达到13%,在空气中保存3,000小时后,依然能保持初始能源转换效率的95%以上(图2)。在以前的研究中,可达10.5%的能源转换效率和95%的保持率的超薄有机光伏电池,只能在空气中保存约200小时。与之相比,新开发品的能源转换效率约提高到1.2倍,稳定性提高到15倍。

日本造出寿命增至15倍的高效3μm超薄有机光伏电池

图2:此次开发的超薄有机光伏电池的长期保存稳定性大幅提高

横轴表示在大气中室温遮光条件下的保存时间,纵轴表示能源转换效率的保持率。本研究中,保存3,000小时后,保持率仍达到95%以上。研究团队之前的研究中,95%的保持率只能保存到200小时左右。由此可见,此次保持率提高到之前的15倍。

这项研究成果的重点是,通过兼具高能源转换效率和热稳定性的新型供体-受体材料混合膜设计改良了发电层,后退火处理改善了发电层与空穴运输层界面的电荷运输(图3)。

日本造出寿命增至15倍的高效3μm超薄有机光伏电池

图3:兼具高能源转换效率和长期保存稳定性的设计指南

供体材料采用半导体聚合物PBDTTT-OFT,受体材料采用非富勒烯衍生物IEICO-4F,制作了兼具高能源转换效率和热稳定性的发电层。在制作元件后实施后退火处理(150℃,5分钟),改善了发电层与空穴运输层界面的电荷运输,同时改善了长期保存稳定性。

PBDTTT-OFT供体材料是东丽公司近年来新开发的热稳定性优异的半导体聚合物。此前的研究中,制作与PBDTTT-OFT随机混合的体异质结结构发电层时,受体材料一直选用富勒烯衍生物。但这种组合无法充分发挥PBDTTT-OFT的高效率和热稳定性等特点。此次受体材料改为非富勒烯衍生物IEICO-4F,从而制作出了集光性和热稳定性更优异的发电层。

论文信息
题目:Highly efficient organic photovoltaics with enhanced stability through the formation of doping-induced stable interfaces
期刊:《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》
DOI:10.1073/pnas.1919769117

日文发布原文

文:JST客观日本编辑部

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