日本理化學研究所PNAS：熱穩定、高效的超柔性有機光伏器件

【引言】

在物聯網（loT）傳感器和柔性電子設備中，柔性光伏器件具有很好的柔性機械性能。盡管熱穩定性的提高對這些器件非常重要，但是同時提高材料的高的轉化效率（PCE）和有機光伏器件（OPVs）的熱穩定性，仍然是一個很高的挑戰。因為熱壓過程中，活性層的最優結構的保持仍然困難。超薄的涂層作為彈性基體，在使用環境中很難保持熱穩定性。因此本文探索了poly (benzodithiophene-cothieno [3,4-b]thiophene) (PBDTTT)的供體聚合物，在超柔性光伏器件的應用。

【成果簡介】

近日，日本理化學研究所的Takao Someya和Kenjiro Fukuda（通訊作者）等人，成功的制備了超柔性的OPVs，超過100℃的溫度時，其效率是初始效率的10%；空氣中，超過500小時的加速時間，其效率是初始效率的80%。本文介紹了一種低能帶結構的poly(benzodithiophene-cothieno[3,4-b]thiophene)(PBDTTT)的供體聚合物，它與富勒烯受體混合后，形成穩定的顯微結構。本文發現了一種簡單易行的方法，通過熱熔工藝將超彈性OPV粘附到紡織品上，而不會導致嚴重的性能下降。相關成果以“thermally stable, highly efficient, ultraflexible organic photovoltaics”為題發表在PNAS上。

【圖文導讀】

圖1 超柔性OPV的設計和電性能

（A）熱熔工藝之后，3μm厚的OPVs的光學照片；

（B）超薄OPV設計的堆棧示意圖；

（C）PBDTTT-OFT的供體聚合物的化學結構；

（D）柔性和固態器件的電流密度-電壓圖。

圖2 超薄膜的顯微結構特征

（A）PBDTTT-OFT超薄薄膜的UV-vis吸收光譜；

（B）PBDTTT-OFT：PC71BM和PBDTTT-EFT：PC71BM混合薄膜的UV-vis吸收光譜；

（C）PBDTTT-OFT和PBDTTT-OFT：PC₇₁BM混合薄膜的GIWAXS二維照片。

圖3 超柔性OPV的熱穩定的熱穩定性和壽命圖

（A）PBDTTT-OFT：PC71BM和PBDTTT-EFT：PC₇₁BM混合膜制備的OPVs的短時間熱穩定性對比圖；

（B）130℃熱處理4h后，左面PBDTTT-OFT：PC71BM (上面)和右邊PBDTTT-EFT：PC71BM (底部)的AFM光電流圖像；

（C）在85℃空氣中，熱壓后，PBDTTT-OFT：PC₇₁BM基的3μm厚的OPVs超柔性的時效測試；

（D）超柔性電池和玻璃支撐剛性器件的儲能壽命對比圖。

圖4 太陽能電池和OPVs的織狀物示意圖和功率對比輸出圖

（A）五個并聯陣列（每個陣列包含22個串聯單電池）的超柔太陽能模塊示意圖；

（B）是（A）中太陽能模塊的光學圖片；

（C）是（A）太陽能模塊的J-V掃描和功率輸出圖；

（D）熱容加工前后，超柔性OPV二極管的特性。

【小結】

本文設計了一種OPVs材料，可以顯著增強其器件的熱穩定性和高的PCE。熱壓后的高性能主要包括PBDTTT聚合物：PC₇₁BM混合的最優結構。超薄彈性基體和熱障涂層具有很好的熱力學性能和低透氣性。因此允許電池的可以苛刻條件下，空氣中長時間儲存能量。結合服裝行業成熟的熱熔工藝，具有良好的熱性能穩定和超柔性的OPV，可以擴展電子紡織產品的可能性。

文獻鏈接：Thermally stable, highly efficient, ultraflexible organic photovoltaics（PNAS, 2018, DOI: 10.1073/pnas.1801187115）。

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