Pin mặt trời hữu cơ đạt hiệu suất 20,02% với chất nhận khổng lồ mới
bởi Li Yali, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc
Cấu trúc hóa học của thành phần khách được thiết kế và BTP-eC9. Nguồn: NIMTE
Một nhóm nghiên cứu đã phát triển các chất nhận khổng lồ mới với liên kết chứa oxy, cho phép tạo ra các pin mặt trời hữu cơ (OSC) hiệu suất cao không sử dụng dung môi halogen, với hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) lên đến 20,02%.
Ưu điểm và thách thức của công nghệ OSC
OSC nổi bật bởi tính chất nhẹ, khả năng xử lý bằng dung dịch, tính linh hoạt về mặt cơ học và chi phí chế tạo thấp, khiến chúng trở thành ứng cử viên hàng đầu cho công nghệ quang điện thế hệ tiếp theo. Tuy nhiên, các OSC thông thường dựa vào dung môi halogen hóa có điểm sôi thấp để đạt được hiệu suất cao.
Tuy nhiên, tính dễ bay hơi cao của các dung môi này là một rào cản đối với sản xuất hàng loạt. Mặc dù các dung môi không chứa halogen có điểm sôi cao khác—như toluen và o-xylen—phù hợp hơn cho việc mở rộng quy mô sản xuất, nhưng chúng thường dẫn đến hiệu suất giảm do cấu trúc kém hơn.
Phương pháp tiếp cận sáng tạo sử dụng chất nhận khổng lồ
Để giải quyết thách thức này, nhóm nghiên cứu do Giáo sư Ge Ziyi từ Viện Công nghệ và Kỹ thuật Vật liệu Ninh Ba (NIMTE) thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc dẫn đầu đã sử dụng toluen (một dung môi ít nguy hiểm hơn) để thiết kế một quy trình chế tạo đơn giản, phù hợp với sản xuất quang điện hữu cơ quy mô lớn. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Advanced Materials.
Họ đã đưa hai chất nhận khách khổng lồ (chất nhận oligomer hóa)—được đặt tên là G-1O và G-3O, mỗi chất có chuỗi bên chứa oxy khác nhau—vào hỗn hợp PM6:BTP-eC9. Sự điều chỉnh này đã kéo dài thời gian kết tinh của hỗn hợp, giúp ngăn chặn sự kết tụ quá mức đồng thời thúc đẩy sự phân tách pha tốt hơn.
Các chất nhận điện tử khách khổng lồ này giữ lại những ưu điểm của chất nhận điện tử dẫn xuất từ Y, bao gồm cấu trúc phân tử chính xác, tính chất quang điện tuyệt vời và khả năng xử lý dung dịch mạnh mẽ—tất cả đều góp phần tạo nên hình thái lớp hoạt tính được tối ưu hóa.
So sánh hiệu suất và khả năng mở rộng
So với G-3O, có chuỗi bên chứa oxy dài hơn gây ra sự phân tách pha không đồng đều, việc kết hợp G-1O—với chuỗi bên ngắn hơn—cải thiện độ phẳng của phân tử, do đó cho phép phân bố pha đồng nhất hơn. Điều này, đến lượt nó, tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền tải điện tích hiệu quả và giảm thiểu tổn thất điện áp.
Thiết bị ba thành phần dựa trên G-1O đạt hiệu suất chuyển đổi quang điện (PCE) là 19,90%, vượt trội so với thiết bị dựa trên G-3O, chỉ đạt 17,90%. Nhóm nghiên cứu đã tiếp tục nâng cao hiệu suất của thiết bị dựa trên G-1O bằng cách áp dụng lớp phủ chống phản xạ (ARC) dày 100 nm, đẩy PCE lên 20,02%.
Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đã chế tạo một mô-đun diện tích lớn 15,6 cm2 sử dụng hệ thống PM6:BTP-eC9:G-1O. Mô-đun này cho thấy hiệu suất chuyển đổi quang điện (PCE) cao là 16,97% và không có vùng chết – những phát hiện này khẳng định tính khả thi về mặt mở rộng quy mô và lợi thế xử lý thân thiện với môi trường của công nghệ.
Công trình này thiết lập một lộ trình khả thi để phát triển các tế bào quang điện hữu cơ hiệu suất cao sử dụng dung môi không chứa halogen, nhấn mạnh tiềm năng to lớn của chúng trong các ứng dụng quang điện thương mại.
Thông tin thêm: Lin Xie và cộng sự, A Giant Acceptor with a Novel Oxygenated Linker Modulates Molecular Crystallization Kinetics for High‐Efficiency Non‐Halogenated‐Processed Organic Solar Cells, Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202511584
Thông tin tạp chí: Advanced Materials
