巧用绝缘聚合物矩阵， 全小分子有机太阳能电池的稳定性

有机太阳能电池（OPV） 凭借其轻薄、 柔性可弯曲和成本低廉等优势， 成为新一代光伏技术的重要发展方向。 而近年来， 全小分子有机太阳能电池（ASM OPV） 因其更易于合成、 更高的材料可重复性、 以及更易于精确调控材料特性等优点， 受到科研人员的广泛关注。 与聚合物太阳能电池相比， 全小分子有机太阳能电池ASM OPV 具有以下显著的优势和劣势：

优点:

1.       高纯度和可控性: 小分子材料可以通过精确的化学合成获得高纯度， 这使得材料特性更易于控制和重现， 从而提高电池性能的一致性和稳定性。

2.       电子迁移率高: 小分子材料通常具有较高的电子迁移率， 这有助于提高电池的光电转换效率。

3.       溶液加工性: 小分子材料通常易溶于有机溶剂， 适合溶液加工技术， 例如旋涂、 刮涂和印刷， 这些技术具有低成本和大面积制备的潜力。

4.       结构灵活性: 小分子材料的化学结构可以通过分子设计灵活调整， 以优化光吸收、 电荷传输和能级匹配。

5.       热稳定性: 小分子材料的结构稳定性较高， 一般具有更好的热稳定性， 这有助于提高电池的使用寿命。

缺点:

1.       薄膜形成难度: 小分子材料在成膜过程中容易出现结晶和相分离现象， 这会影响薄膜的均匀性和电池性能。

2.       溶剂选择有限: 虽然小分子材料可以溶解在有机溶剂中， 但合适的溶剂选择有限， 这可能会影响制程的灵活性。

3.       机械柔韧性较差: 小分子材料的机械柔韧性一般不如聚合物材料， 这可能会影响电池在柔性基板上的应用。

4.       成本相对较高: 由于小分子材料的合成过程较为复杂， 纯度要求高， 其成本通常高于聚合物材料。

5.       能级匹配挑战: 小分子材料的能级匹配需要精确设计， 这对材料设计和制备提出了更高的要求。

另外， ASM OPV 系统也存在着一些问题， 例如 其分子堆积和聚集结构通常比聚合物系统更加脆弱， 导致其在实际应用中更容易发生性能衰退。

近期， 香港理工大学李刚教授团队 在 Advanced Materials 期刊上发表了重要研究成果， 为提升全小分子有机太阳能电池的稳定性指明了新方向。

【巧妙设计： 绝缘聚合物矩阵 筑牢稳定性堡垒】

为了解决全小分子有机太阳能电池稳定性不足的问题， 该团队采用的设计思路， 他们将一种称为苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯 (SEBS) 的绝缘聚合物添加到了小分子材料混合体系中。

SEBS 作为一种具有优异的机械强度和化学稳定性的绝缘聚合物， 能够有效地抑制活性层中分子发生降解和重组， 从而有效地提高了电池的稳定性。

研究人员通过对不同的 SEBS 含量进行对比实验， 发现适量的 SEBS 能够显着提升电池的寿命：

当 SEBS 含量为 1 mg/ml 时， 该团队实现了惊人的结果， 电池寿命 (T80) 的预测值高达 15000 小时， 远超未添加 SEBS 以及大量添加 SEBS 的电池 (分别为 900 小时 和 30 小时)。

该研究结果表明， SEBS 是一种能够在不影响活性层材料可重复性和成本效益的前提下， 显著提高 ASM OPV 稳定性的理想材料。

SEBS 的妙用：

l抑制分子降解: SEBS 可以作为一种物理屏障， 有效抑制活性层中分子， 特别是受体分子， 发生氧化、 降解， 从而延长电池寿命。

l抑制形貌变化: SEBS 可以有效地抑制活性层发生非晶化或者结晶程度发生变化， 从而保持活性层结构稳定， 有利于保持较好的光电转换性能。

虽然添加 SEBS 会使电池的初始效率略有下降， 但这主要是因为 SEBS 的加入改变了活性层的分子排列， 而非导致了材料自身的降解。 当添加量为 1 mg/ml 时， 该团队依然能维持 15.02% 的电池效率， 仍然是无卤溶剂制备的全小分子有机太阳能电池的优异水平。

【稳定性提升， 效率依然出色】

该研究工作为全小分子有机太阳能电池稳定性的提升提供了一条全新的道路。 未来， 通过进一步研究 SEBS 以及其他绝缘聚合物的应用， 研究人员有望开发出性能更加优异的太阳能电池， 并在更广阔的应用领域中取得更大的突破， 最终推动绿色可再生能源的发展。

香港理工大学李刚教授团队的这项研究， 通过巧妙的 “绝缘聚合物矩阵" 的设计策略， 有效地提高了全小分子有机太阳能电池的稳定性， 并将电池寿命延长至令人惊叹的 15000 小时。 这项突破性成果为开发更稳定、 更实用的全小分子有机太阳能电池 提供了新的思路， 对未来推动光伏技术的应用具有重要的意义。

参考文献

Insulator Polymer Matrix Construction on All-Small-Molecule Photoactive Blend Towards Extrapolated 15000 Hour T80 Stable Devices_Adv.Mater.. 11 July 2024_ DOI: 10.1002/adma.202405005

【本研究参数图】

Figure 1. a) Chemical structure of BM-ClEH, BO-4Cl, and SEBS. b) Schematic diagrams of the morphology upon adding SEBS. c) J-V characteristics of BM-ClEH:BO-4Cl based solar cells with different SEBS concentrations. d) EQE spectra of related devices. e) MPP tracking curves of studied devices. f) Summary of recent progress on OSC device efficiencies and stabilities for PD:SMA, PD:PA/GMA, and SMD:SMA types of systems. g) Thermal stability of BM-ClEH:BO-4Cl:SEBS photovoltaic blends. h) Schematic diagram of morphology evolution under light and thermal treatments

Figure S14. J-V characteristics of fresh ASM OSCs with/without SEBS based on BTR-Cl:BO-4Cl and B1:BO-4Cl systems cast from CF, and corresponding full light soaking stability.

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文献参考自Adv.Mater.. 11 July 2024_ DOI: 10.1002/adma.202405005

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