AM:石墨炔材料電池新突破—催生高效率有機太陽能電池

近年來，有機太陽能電池發展迅速，其中混合膜的形貌調控是提高器件性能的重中之重。在各種調控策略中，添加劑對於有機太陽能電池性能提高至關重要。但是，現有高效添加劑都具有揮發性，這會導致器件性能參數出現批次性差異，影響了有機電池的產業化進程。在李玉良院士的指導下，中科院青島能源所酒同鋼課題組與華盛頓大學高珂博士合作，開發氯石墨炔作為固體添加劑，在有機太陽能電池的性能和工藝重現性方面同時取得了突破，實驗室器件效率達到17.3%，器件在中國計量科學研究院認證效率達到17.1%，是目前報導的二元有機太陽能電池最高效率之一。利用氯石墨炔優良的熱穩定性和優異的電學性質，有效解決了有機太陽能電池揮發性添加劑導致的批次性能差異的發展瓶頸，並獲得高質量的結晶薄膜，實現了高重複性、高性能光伏器件的製備。這一成果成功解決了當前有機太陽能電池領域人們關心的高效率和重複性兩個關鍵問題。此成果大大降低了工藝的複雜性，凸顯了二元組分電池易加工性的優勢，加速了有機太陽能電池的產業化落地進程。

圖：氯石墨炔作為多功能固體添加劑調控有機太陽能薄膜形貌及器件性能

石墨炔是國際具有我國自主智慧財產權的二維碳材料，目前吸引了美國、英國、德國、日本等國家研究團隊和國內著名大學和科研機構開展了石墨炔的研究。石墨炔具有二維平面共軛體系、優良的化學穩定性和半導體性能，已經廣泛應用於生物、能源、催化、信息技術、儲能等各個領域。在這項工作中，研究人員針對有機太陽能電池目前存在的添加劑易揮發、數據重複性差、器件填充因子低等問題，將氯石墨炔作為一種多功能固體添加劑首次成功應用於有機太陽能電池活性層形貌調控，實現器件參數的高度重現性。同時氯石墨炔具有大的pi共軛和優良的孔道結構，可大大提高活性層的結晶行為，提高成膜過程中晶體的質量和取向，從而實現器件填充因子的提升。

研究人員發現，氯石墨炔的強共軛作用可有效改善受體分子的結晶行為，通過形貌表徵及電學性能測試證明，氯石墨炔的加入有利於混合膜結晶過程的優化，結晶度的提高及相分離的改善，進而使載流子遷移率得到明顯提升，電荷複合受到抑制。因此，與傳統添加劑氯萘的器件相比，器件短路電流密度及填充因子明顯提升，電池效率大幅度提高。一系列協同作用促進了器件性能的提高，並同時實現器件參數的高重複性，表明了石墨炔材料作為多功能固體添加劑在有機太陽能電池領域的巨大應用前景。二維石墨炔材料優化太陽能電池性能的策略，可完美的作為一個普適的方法擴展到光電、儲能和智能器件領域，相關研究成果近期在Advanced Materials（DOI:10.1002/adma.201907604）上發表。