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科研员研发出新型有机太阳能电池

溶液处理的半导体,包括钙钛矿和量子点等材料(即,在量子尺寸范围内的小颗粒),是电导率介于绝缘体和大多数金属之间的物质。已经发现,这种类型的半导体对于开发性能良好且制造成本低的新型光电子器件特别有前途。最近,一些研究强调了通过结合胶体量子点(CQD),可以收集红外光子的纳米粒子和有机发色团(吸收可见光光子并赋予分子颜色的分子部分)来制造半导体的优势。尽管如此,到目前为止,由于不同组分之间的化学不匹配以及在实现电荷收集方面的挑战,基于CQD和发色团的混合光伏仅实现了低于10%的功率转换效率(PCE)。

多伦多大学和韩国KAIST的研究人员最近开发了一种混合体系结构,该体系结构通过将小分子引入CQD /有机堆叠结构中而克服了这些限制。Se-Woong Baek表示:“ 这项研究的第一个挑战是将胶体量子点CQD的宽光吸收带的优势与有机分子的强(但较窄)吸收系数相结合,以创建更高性能的光伏平台。”

研究人员从大约二十年前在伯克利国家实验室的研究小组进行的一项研究中汲取了灵感,该研究表明了使用半导体纳米棒和聚合物制造混合太阳能电池的潜力。尽管伯克利实验室的团队和其他几个团队试图将有机分子与胶体量子点CQD结合起来,但是Baek和他的同事们认为这很难实现,因为其混合架构所实现的器件性能低于典型的有机或仅胶体量子点CQD的半导体。因此,他们着手进一步研究胶体量子点CQD /有机半导体的潜力,试图克服以前开发的体系结构的局限性。

为了使太阳能电池性能良好,它们应该能够最大程度地吸收光并将其有效地转换为电流。Baek和他的同事开发的混合太阳能电池有一个小分子桥,可补充胶体量子点CQD吸收,进而与主体聚合物形成一个激子级联。与其他混合架构相比,这导致了更有效的能量传输。

Baek解释说:“我们开发的结构可以通过一个附加的有机层实现高的光收集效率,该有机层的背面具有很强的吸收系数,而CQD在其正面附近具有一次宽带吸收。” “所得太阳能电池的最大优势在于,它们使我们能够通过调整CQD的大小并将其与合适的有机分子结合来编程CQD的光响应。”

与其他类型的混合太阳能电池相比,Baek和他的同事开发的太阳能电池独特的结构允许在编程功能方面具有更大的自由度。另外,它允许太阳能电池在更长的连续操作周期内保持良好的效率。

Baek说:“以前的许多研究都报道了通过CQD和聚合物的结合,吸收率很高,但由于电荷提取效率低,它们的性能较差。” “通过将第三种成分(小分子桥)引入CQD /聚合物杂化结构,我们揭示了促进电荷提取和吸收从而改善PCE的潜在机理。“

将来,这些太阳能电池可用于制造既使用量子点又使用发色团的光伏面板,但其效率要高于先前开发的混合体系结构中观察到的效率。到目前为止,他们提出的CQD有机结构具有高达1100纳米的吸收带。因此,在他们的下一个研究中,他们希望调整结构或开发其他混合结构,以实现更宽的吸收带。

“最终,该结构可以与实际的高带隙的钙钛矿组合太阳能电池,例如,通过设计一个后电池平台为串联结构,其能够增强吸收的近红外波段,其中钙钛矿不吸收的,Baek说。从理论上讲,当我们将混合结构作为串联结构的后电池时,钙钛矿太阳能电池的效率可以提高15%。”

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