作者:黄飞等 来源:《自然—能源》 发布时间:2022/11/11 0:06:23
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低聚物受体实现高稳定性高效率有机太阳能电池

 

北京时间2022年11月11日,华南理工大学的黄飞教授、李宁教授团队在Nature Energy期刊上发表了一篇题为“Organic solar cells using oligomer acceptors for improved stability and efficiency”的研究成果。该成果报道了通过合成具有确定化学结构的齐聚物受体,调控有机光电材料的热力学性能和分子堆积行为,构筑了兼具高效率和优秀稳定性的有机太阳电池。

论文通讯作者是李宁、黄飞,第一作者是梁佑才、张荻非。

有机太阳电池(OSCs)因其具有柔性、质轻、半透明等优点,作为下一代光伏技术在便携式能源、发电外墙玻璃和光伏温室大棚一体化等应用上具有巨大的商业前景,因此在过去的二十年受到全世界研究者的广泛关注。目前,基于Y系列小分子受体(SMAs)的有机太阳电池已取得超过19%的光电转换效率(PCE),但该类材料较低的热转变温度使得活性层形貌在光照或者受热时不稳定,致使相应器件的稳定性受到较大影响,是有机太阳电池实现商业化应用的最大瓶颈之一。为了解决活性层微观形貌不稳定的问题,国内外许多研究者采用将小分子受体聚合物化的策略,所得聚合物受体不仅能够维持小分子受体的效率,也表现出更好的光稳定性或热稳定性。但该类聚合物受体的性能对分子量分布和聚合批次具有较强的依赖性,不利于大规模的材料生产和技术应用,因此使有机太阳电池兼具高效率和优秀稳定性成为了一个悬而未决的设计难题。

图1:受体的材料表征。

在本工作中,华南理工大学的黄飞教授、李宁教授团队提出了非富勒烯受体(NFA)的低聚策略,合成了一系列具有确定化学结构的Y系列齐聚物,实现了对材料热力学性能、结晶特性和分子堆积的有效调控。通过与前驱体小分子OY1和参比聚合物POY对比,发现三聚体OY3不仅能继承小分子和聚合物优异的光电性能,还克服了两者各自存在的缺点,打破了光电转换效率和稳定性之间相互制衡的局限性。

图2:OY1-OY4和POY的器件性能。

首先,研究人员采用不平衡的配料比一锅法合成了Y系列的二、三、四聚体,再分别分离纯化。研究结果表明该类材料的结构单元数对材料的光物理性能和器件的效率几乎没有影响。但经过深入研究,发现齐聚物受体具有更高的冷结晶温度和更紧密的分子堆积特性;GIWAXS和光谱分析的形貌表征也表明,基于OY3的共混薄膜比基于OY1或POY具有更好的堆积取向,有利于其在活性层形成稳定的微观形貌。

图3:OY1、OY3和POY的分子堆积特性和光物理性能。

在老化实验中,OY3能够保持优秀的热稳定性和光照稳定性,基于OY3的有机太阳电池在光照下工作1000小时后仍能保持超过90%的初始效率。得益于OY3具有更高的热转变温度和更有序的微观形貌,其T80稳定性经过外推计算可以达到25000小时,相当于可以在广州使用超过16年。该结果是在本领域中报道的第一个兼具高效率(>15%)和高使用寿命(>15年)的有机太阳电池。

图4:有机太阳电池的热稳定性和光稳定性。

该研究表明Y系列的齐聚物受体不仅能继承小分子和聚合物优异的光电性能,还同时解决了小分子受体低热转变温度和聚合物批次重复性的关键问题,为该领域实现商业化应用提出了全新的分子设计思路。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41560-022-01155-x

 
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