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中科院士李永舫有机光伏巨分子受体（GMAs）与小分子受体结构
2024/08/26 17:03
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方案摘要：
产品配置单：
光焱科技QE-R量子效率系统
型号： QE-R
产地： 台湾
品牌： 光焱科技
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方案详情：
有机太阳能电池（OSCs）因其在柔性和可穿戴光伏设备制造中的低成本溶液加工方法而备受关注。特别是全聚合物太阳能电池（all-PSCs），由于其良好的柔性和形态稳定性，在柔性设备领域显示出巨大潜力。然而，早期用于all-PSCs的聚合物受体在近红外区域的吸收能力较弱，且分子堆积不理想，限制了其进一步发展。为了克服这些挑战，提高功率转换效率（PCE），研究人员提出了聚合小分子受体（PSMA）的概念，利用窄带隙小分子受体（SMAs）作为关键构建模块。PSMAs不仅具有低带隙和强吸收的优点，还具有适合的分子堆积和较小的激子结合能，这些特性促使all-PSCs的PCE超过了17%。尽管PSMAs在all-PSCs的发展中取得了显着成就，但其光伏性能受批次变化的影响较大。为了解决这一问题，并实现更低的扩散特性，需要开发具有精确定义结构和接近聚合物分子量的新材料。
在这样的背景下，中科院院士李永舫团队设计了一系列巨大分子受体（GMAs），包括DY、TY和QY，它们分别具有两个、三个和四个小分子受体亚基。这些GMAs通过逐步合成方法制备，并用于系统地研究亚基数量对受体结构和性能的影响。基于这些受体的器件中，TY基膜显示出适当的给体/受体相分离，更高的电荷转移态产率和更长的电荷转移态寿命。结合最高的电子迁移率、更高效的激子解离和更低的电荷载流子复合特性，基于TY的器件实现了16.32%的最高PCE。发表于Nature Communications的结果不仅表明GMAs中的亚基数量对其光伏性能有显着影响，而且还证明了通过GMAs的结构多样化，可以深入理解从SMAs到PSMAs的性能差异，这对于推动高效率和稳定的有机太阳能电池应用至关重要。
(原文献来自: DOI:10.1038/s41467-023-43846-3)
研究程序说明及各表征设备应用
本研究的研究程序涉及一系列复杂的步骤，概括如下：
1. 合成设计与化学合成
l 设计具特定结构的目标化合物，预计用作电子受体材料。
l 使用特定前体材料及反应条件（溶剂、催化剂、温度）进行化学合成。
2. 纯化与表征
l 使用柱色谱法进行化合物纯化。
l 透过核磁共振（NMR）和质谱（HRMS）进行结构和纯度的表征
n 使用设备: 核磁共振（NMR）光谱仪及质谱仪
3. 材料合成与结构分析
l 合成YDT、DY、TY、QY和PY-IT化合物，并进行结构分析。
l 采用于在氮气氛中进行热重分析、测量紫外-可见吸收光谱和使用凝胶渗透色谱（GPC）测定聚合物的分子量和多分散性。
n 使用设备:: 热重分析仪（TGA）、紫外-可见（UV-Vis）分光亮度计和凝胶渗透色谱（GPC）
4. 光电化学性质与载流子表征
l 记录溶液和薄膜的UV-Vis光谱，进行电化学循环伏安法测量，评估材料的氧化还原电位、计算能量水平。
l 使用TRPL研究激子动态，研究了光电流密度（Jph）对有效电压（Veff）的依赖性，并采用空间电荷限制电流SCLC测量电子和空穴的迁移率 和photo-CELIV方法测量载流子迁移率。
n 使用设备:: 电化学工作站、时间分辨光致荧光光谱仪、空间电荷限制电流（SCLC）测量设备
5. 太阳能电池制作与测试
l 采用ITO/PEDOT/活性层/PDINN/Ag传统结构制作太阳能电池。
l 旋转涂布法沉积活性层，含有PM6和受体材料的混合溶液来制备并进行热退火处理
l 测量J-V特性、EQE及能量损失，以计算总能量损失ΔEloss及其组成部分ΔE1、ΔE2和ΔE3。
n 使用设备:: 太阳能模拟器、外量子效率（EQE）测量系统和(FTPS-EQE)测量系统
基于PM6：受体的相应OSC的最佳EQE曲线。五种受体基础设备之间的比较。
研究团队采用了光焱科技提供的完整能量耗损分析设备，包括： QE-R外量子效率量测方案，不仅为有机太阳能电池提供了精准且高重现性的量子效率参数，还能通过软件的配合，实现高效的ΔΕ1量测模式。此外，REPS和FTPS设备专门针对ΔE2和ΔE3的Voc耗损进行必要的参数分析。光焱科技的完整Voc耗损分析系统可将上述设备的数据直接执行导入与导出，有效简化了原本繁琐且需要大量计算验证的研究流程，从而成功获取器件各阶段所需的关键参数，并降低了程序负荷和人为计算错误的风险。
光焱科技FTPS高灵敏度傅立叶变换光电流测试仪量测OPV器件软件示意图
6. 瞬态吸收与形态学表征
l 使用再生放大钛：蓝宝石激光系统和Helios泵-探针系统研究薄膜激发态和结晶度表征。
l 表面形态学分析，研究材料的分子堆栈和形态特征。
n 使用设备: 飞秒瞬态吸收光谱仪和光诱导力显微镜（PiFM）
GMAs研究成果及未来科研价值
本研究成功解决了多个材料合成和性能优化的难题，并克服了在有机太阳能电池研究中的多项瓶颈。以下统整了团队成功于此研究发表的各项研究成果:
克服材料合成困难：研究团队开发了一种逐步精确的合成方法，用于合成具有多个小分子受体（SMA）亚基的巨大分子受体（GMAs）。这种方法克服了合成具有多于两个SMA亚基的复杂GMAs的困难。
理解结构-性能关系：通过系统地研究具有不同数量SMA亚基的GMAs，研究人员能够更深入地理解从SMAs到PSMAs的结构-性能关系。
光伏性能提升：研究发现，TY基的OSC装置由于其适当的相分离、更高的电荷转移态产率和寿命以及最高的电子迁移率，展现出最佳的功率转换效率（PCE）。
热稳定性改善：研究表明，GMAs中较大的分子大小导致较低的分子扩散系数，从而提高了对应器件的热稳定性。
加强器件稳定性：通过比较YDT、TY和PY-IT基OSCs的长期储存稳定性，研究发现较大分子大小的受体有助于提高形态稳定性。
然而，研究同时指出PSMAs的批次变异、分子扩散与能级匹配等问题，仍然是未来需要解决的挑战。特别是在形态学控制方面，研究揭示了精确的相分离控制对于实现最佳OSC性能的重要性，这也为未来的优化工作提供了宝贵的指引。
本研究不仅在理论上深化了对有机太阳能电池材料的认识，也为实际应用中提升器件稳定性和性能提供了可靠的技术支持，具有重要的科学研究参考价值。
推荐设备
FTPS
QE-R
REPS
文献参考自Nature Communications.2024_ DOI: 10.1038/s41467-023-43846-3
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