華南理工黃飛/李寧Nature Energy：兼具高效率/高壽命有機太陽能電池設計

CYM 6個月前 (01-20) 1292瀏覽

【導讀】

眾所周知，有機太陽能電池（OSCs）的功率轉換效率已經迎來了巨大的發展。然而，為了實現商業產品和應用，OSC的功率轉換效率（PCE）應該伴隨著出色的穩定性。實際上，耦合高效率和長循環穩定性仍然是如今商業化的一個主要挑戰。近年來，由于小分子非富勒烯受體（SM-NFA）的快速發展，其在分子設計、近紅外區域互補吸收和與聚合物供體的能級方面顯示出巨大的優勢。特別是Y6及其衍生物，作為SM-NFAs最實質性的突破之一，將單結OSC的PCE提高到19%的水平。盡管基于Y6及其類似物的OSC效率很高，但本質上較低的玻璃化轉變溫度（Tg），以及這些Y系列SM-NFA的高擴散特性容易在OSC的活性層內形成動力學不穩定的形貌，一直阻礙器件獲得長期穩定性的障礙。

【成果掠影】

在此，華南理工大學黃飛教授和李寧教授等人（共同通訊作者）利用Y6類似物（OY）和2,2′-雙噻吩單體構建了一系列齊聚物受體（POY），研究了分子尺寸和包裝性能對光伏性能的影響。作者通過改變分子鏈的長度，改變了熱性能、結晶行為和分子堆積，獲得了最佳的微觀結構和更穩定的形貌。對于基于齊聚物受體的二元OSCs，具有超過超過25000小時的推算壽命，相當于可以在廣州使用超過16年。這項工作強調了低聚策略在調節分子堆積行為和共混形態方面的重要性，促進了穩定和有效的OSCs非富勒烯受體的發展。

相關研究成果以“Organic solar cells using oligomer acceptors for improved stability and efficiency”為題發表在Nature Energy上。

【核心創新點】

1.本文采用了一鍋法的策略合成了Y系列的齊聚物受體，且經過光穩定性測試，基于OY3的有機太陽電池在光照下條件下1000小時后，展現出超過90%的初始效率；

2.這是在有機太陽能電池領域中報道的第一個同時具有高效率（>15%）和高使用壽命（>15年）的工作，從而推動了其商業化進程。

【數據概覽】

圖一、受體的材料特征? Springer Nature

（a）OY1-OY4和POY的化學結構；

（b）五種受體加熱的DSC曲線；

（c）五種受體的紫外?可見吸收光譜；

（d）五種受體的能級圖；

圖二、OY1-OY4和POY的設備性能? Springer Nature

（a，b）在AM 1.5 G光照（100 mW cm-2）下，優化OSCs的J-V特性和EQE光譜；

（c）基于不同受體的OSCs PCE直方圖。

圖三、OY1、OY3和POY的分子堆積行為和光物理性質? Springer Nature

（a，b）OY1、OY3、POY膜和相應的混合膜2D-GIWAXS圖譜和一維曲線；

（c，d）OY1、OY3和POY膜的吸收譜和PL圖譜；

（e）PBDB-T共混膜的吸收曲線。

圖四、OSCs的熱穩定性和光穩定性? Springer Nature

（a）在最佳條件下或150℃熱應180 min處理后的共混膜AFM圖像；

（b）在干燥氮氣氣氛下，連續光照下OSCs的Jsc、Voc、FF和PCE的變化；

（c）在PBDB-T: OY3的氮氣中光照1000小時的PCE；

（d）OSCs的PCE和光穩定性。

圖五、OY3的優勢? 2022 Springer Nature

【成果啟示】

綜上所述，本文系統地研究了重復單元結構對NFA的影響，作者跟蹤了熱性能，晶體行為和結構順序的差異，在結合OY1和POY的優點的情況下，OY3表現出高達204℃的Tcc，且具有足夠的結晶度和改進的π-π堆積特征，有利于形成優化的微觀結構和穩定的形貌。同時，基于OY3的OSC產生了超過15%的PCE和優異的光穩定性，在光老化1000小時后保持了90%以上的初始效率。平均?T80壽命超過25000小時，相當于16年的運行壽命。因此，本文相信這樣的低聚策略可以為分子設計提供創新的見解，并使有機光伏技術更接近實際應用。

文獻鏈接：“Organic solar cells using oligomer acceptors for improved stability and efficiency”（Nature Energy，2022，10.1038/s41560-022-01155-x）

本文由材料人CYM編譯供稿。

 

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