AM武汉大学闵杰新型有机光伏材料实现OPV19.12%高效率

导读目录

1.       有机光伏的研究进程与挑战

2.       研究动机解析

3.       研究手法与表征设备的运用

4.       有机光伏的强力生力军_DP3:L8-BO

有机光伏的研究进程与挑战

近年来，有机光伏（OPV）因其低毒性、轻质、柔性和大面积加工能力而备受关注，该技术取得了显着进步，特别是在效率、稳定性和成本方面，为单结器件带来了积极变化。然而，有机光伏OPV材料在实际应用中仍面临挑战，尤其是溶液可加工性问题。武汉大学闵杰团队于 最新一期的Advanced Materials中介绍了一种新型高效聚合物给体材料DP3，其特点是包含富电子的苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩单元和两个简单的受体单元。DP3旨在增强分子间相互作用并优化块状异质结的微结构。DP3系统在功率转换效率（PCE）方面表现出色，最高可达19.12%，并且在不同条件下的器件效率均超过18%，展现了其在商业应用中的潜力。

研究动机解析

过去的十年中，窄带隙小分子受体（SMAs）和聚合SMAs（PSMAs）的研究取得了长足进展，这些材料与宽带隙聚合物供体（PDs）相匹配，提高了短路电流密度和填充因子，同时减少了电压损失。新兴的A-DA′D-A型SMAs将OPVs的PCE提升至15-20%的新水平。除了高效率，OPV应用还需要良好的长期稳定性，目前已有一些系统如PY-IT、PY2F-T和OY3等展现出稳定性，T80值超过10,000小时。随着成本成为关注的焦点，研究者们开始合成简单结构的PDs和非融合环SMAs，这些材料在设备性能方面显示出良好前景。

尽管OPV技术在效率、稳定性和成本方面取得了显着进展，但解决方案可加工性仍是亟待解决的问题。工业应用需要一套完整的关键性能指标（KPIs），包括分子量不敏感性、活性层厚度不敏感性、与环保溶剂的兼容性、高速加工能力和克服缩放滞后的能力。目前，只有少数系统在这些方面表现出色。我们的研究通过设计新型宽带隙聚合物供体PDs，特别是DP3。

以下整理出研究团队所面临到的痛点说明本研究旨在解决:

1. 解决方案可加工性（Solution      Processability）: OPV材料在实际应用中需要能够在各种条件下（如不同分子量、混合厚度和涂布速度）保持高效率。因此，研究需要开发出对这些变量不敏感的材料，以确保制程的一致性和可扩展性。

2. 功率转换效率（Power      Conversion Efficiency, PCE）: 虽然OPV材料在效率方面取得了进步，但仍需进一步提升PCE以达到商业应用的要求。研究目标是开发出具有更高PCE的材料，以提高太阳能转换的效率。

3. 长期稳定性（Long-term      Stability）: OPV系统需要在长时间使用后仍能保持高效率。研究需要确保开发的材料具有良好的运行稳定性，以延长设备的使用寿命。

4. 成本（Cost）:      OPV材料的成本是商业化的重要因素。研究需要合成成本效益高的材料，以降低太阳能发电的整体成本。

5. 环境影响（Environmental      Impact）: 使用环保溶剂进行加工是OPV技术商业化的重要方面。研究需要开发出与非有害溶剂兼容的材料，以减少对环境的影响。

6. 大面积模块生产（Large-area      Module Production）: 在从实验室规模转向大面积生产时，常常会遇到效率降低的问题。研究需要开发出能够在缩放过程中保持高效率的材料，以实现商业规模的生产。

   
   

   
   

研究手法与表征设备的运用

在研究过程中，研究者通过偶联反应合成了DP1、DP2、DP3和DP4等聚合物给体材料。合成的聚合物材料经过一系列表征技术，如: 核磁共振（NMR）光谱、紫外-可见吸收光谱（UV-vis）、循环伏安法（CV）等设备进行分析，以确定其化学结构和物理性质。

薄膜制备与表征的阶段，则使用旋转涂覆、刮刀涂覆或印刷技术制备活性层薄膜。其中使用了原子力显微镜（AFM）和X射线散射技术，如Grazing incidence wide-angle X-ray scattering（GIWAXS）提供了有关材料在薄膜状态下的微观结构信息，对于理解材料的电荷传输特性和光伏性能非常重要。

另外接续，

1.     太阳能电池装置制备与测试：

o    将制备的活性层薄膜与其他层（如电子/空穴传输层、电极等）结合，组装成完整的太阳能电池装置。

o    在标准测试条件下（AM 1.5G，100 mW/cm2）使用太阳能仿真器进行光电流密度-电压（J-V）测量，以评估太阳能电池的性能参数，如开路电压（Voc）、短路电流密度（Jsc）、填充因子（FF）和功率转换效率（PCE）。

2.     进行外量子效率（EQE）测量，以评估太阳能电池在不同波长下的光电转换效率。

此表征量测采用光焱科技之 QE-R外量子效率量测解决方案，有效为研究提供了精准的数据外，也因为配置了光焱科技所研发的软件，进行量测前的设定后，再更有效率地进行多项器件的量测。

突破性解决方案：QE-R SPOT-V光斑定位系统，操作人员能够在屏幕上透过实时影像，观测光斑的精确位置，并且在数秒内完成精确对位。

3.     稳定性测试：

o    在特定的环境条件下（如温度、湿度、光照等）对太阳能电池进行长期稳定性测试，以评估其寿命和性能衰退。

此表征量测采用光焱科技之SS-X160R AM1.5G太阳光仿真器，为迈向大光斑研究的走向，提供了一套完整的解决方案。光焱科技的设备制造过程受ISO17025之严格把关，致力提供让研究人员精准且快速量测的表征设备。

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4.     理论计算与模拟：

o    可能使用量子化学计算或分子动力学仿真来预测材料的电子结构、能级对齐和分子间相互作用。

5.     数据分析与比较：

o    对不同条件下的测试数据进行统计分析，如不同分子量、薄膜厚度和涂布速度下的性能比较。

o    与其他已知材料的性能进行对比分析，以评估新材料的优势和潜力。

有机光伏的强力生力军_DP3:L8-BO

研究人员成功开发了具有简单受体单元的聚合物供体DP1和DP3。与模板DP1相比，随机共聚物DP3在溶液和薄膜状态下表现出更强的聚集性，更合适的物理动态和相分离，该材料具有更好的溶液可加工性。从而提高了器件性能。

此外，

1.    DP3系统在功率转换效率（PCE）方面取得了19.12%的最高记录

2.    在不同分子量、混合厚度和涂布速度下均保持了超过18%的效率。

3.    制备了小面积（0.029 cm2）和大面积（15.40 cm2）的太阳能模块，并测得其PCE分别为18.65%和15.53%。

4.    在高速涂布和非卤化溶剂处理方面表现出优于其他商业化材料的性能和效率，并且与多种受体材料兼容。
相较于比DP1器件以及引用的其他商业化材料PM6和D18要好得多

5.    光稳定性测试中，DP3系统表现出稳定性，经过200小时连续光照后仍能保持86.13%的初始PCE

由本研究的发表可得知研究团队尝试以创新的材料进行有机光伏器见的优化，并在上述各项的论证结果当中，进一步证明了DP3材料的广泛应用潜力外，亦展现了其在工业生产中的强大潜力，为下一代OPV材料的开发和评估提供了重要的参考，并为实现工业化目标奠定了坚实的基础。

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文献参考自Adv. Mater.2024_ DOI: 10.1002/adma.202406329

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