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Advanced Materials(IF32.086)香港理工大学李刚:更高效率与稳定性的全聚合物共混物三元基质中可调节的供体聚集优势

顶尖团队的选择

  • 李剛团队构建了以PBQx-TCl为电子给体、PY-IT和PY-IV为电子受体的三元全聚合物太阳能电池体系。
  • 研究发现,PY-IT可以增强PBQx-TCl的H聚集行为,而引入少量PY-IV则可以抑制其过度聚集。
  • 通过精细调控三种材料的配比比例,优化了PBQx-TCl聚合物的聚集性,从而实现了18.81%的高转化效率以及器件稳定性的明显提升。

研究背景

全聚合物太阳能电池以其低成本、高转化效率等优点,被视为相当有

希望实现大规模商业化应用的太阳能电池种类之一。但要实现广泛商业化,其光电转化效率和长期稳定性仍有提升的空间。香港理工大学李刚教授团队长期从事全聚合物太阳能电池材料和器件的研究,一直在探索提高转化效率与稳定性的新方法。过去研究表明,在有机太阳能电池活性层中引入多种组分进行混合,是提高效率的重要途径之一。特别是聚合性小分子受体材料具有较强的自组装聚集趋势,可以用来调控给体聚合物的聚集行为,这可能会对优化器件性能产生积极影响。李刚团队的该项研究成果已于2023年7月7日发表在《Advanced Materials》期刊上,原文链接为https://doi.org/10.1002/adma.202304632

研究成果

李刚团队选用PBQx-TCl作为电子给体聚合物,PY-IT和PY-IV两种结构相似的聚合小分子材料作为电子受体,构建了三元混合的全聚合物太阳能电池体系。实验发现,在PY-IT含量较高时,PBQx-TCl呈现强烈的H聚集行为;当PY-IV含量较高时,PBQx-TCl则呈现J聚集行为。研究人员通过细微调变三种材料的配比,最终找到了1:1.2:0.2的优化质量比,该配比条件下,三元混合体系的太阳能电池实现了高达18.81%的创纪录功率转换效率。

研究团队利用原位反射光谱、AFM、GIWAXS等多种先进角度跟踪了薄膜形貌的演化过程。结果显示,PY-IT可以增强PBQx-TCl的紧密H聚集,而PY-IV的加入适度抑制了过度聚集,使PBQx-TCl保持較佳的聚集状态。热退火处理的效果主要体现在进一步增强PBQx-TCl的聚集,而非影响受体材料。引入PY-IV也可调节薄膜的相分离程度,控制玻璃化转变温度。综合各种实验结果,研究团队归纳了增效机制:PY-IT保持PBQx-TCl的H聚集,PY-IV抑制过度聚集;热处理优化给体聚集;引入PY-IV调控相分离和玻璃化转变温度。基于以上多重协同调控效应,修改后的三元体系在转化效率和稳定性上均得到大幅提升。

研究方法

  1. 材料选择与配比调控 研究团队在构建三元混合全聚合物太阳能电池体系时,选择了PBQx-TCl作为电子给体聚合物材料,PY-IT和PY-IV两种结构相似的聚合小分子材料作为电子受体。为获得較佳的效率,研究人员通过系统地调变三种材料的质量配比比例进行了多组实验,测试了不同配比条件下的器件性能参数。经过反复对比分析,最终确定了PBQx-TCl:PY-IT:PY-IV = 1:1.2:0.2的优化质量比组成,该配比条件下的三元混合体系实现了18.81%的创纪录功率转换效率。
  2. 太阳电池器件的制备 在三元混合全聚合物太阳能电池的具体制备过程中,研究团队采用了传统的ITO/PEDOT:PSS/活性层/PFN-Br-MA/Ag串联结构。首先进行ITO玻璃基板的清洗处理,去除有机污染物,然后在其表面旋涂PEDOT:PSS薄膜。接着利用旋涂法将三元混合的全聚合物材料活性层薄膜涂布于PEDOT:PSS上,并进行热退火处理,以优化薄膜的形貌和相分离程度。最后再旋涂PFN-Br-MA层,再通过温度控制的真空沟道沉积银电极。研究人员通过调节旋涂参数,优化了活性层的厚度,以实现更佳的光吸收效果。
  3. 器件的测试与表征 为了全面评估三元混合全聚合物太阳能电池的光电转换性能,研究团队进行了一系列测试与表征。在测试方面,他们测量了器件的开路电压、短路电流、填充因子等关键参数,并构建了电流密度-电压曲线,以计算功率转换效率。在表征方面,研究人员进行了外量子效率测试以及电致发光测试,以确定器件的光电转换特性。这些测试为全面评价三元体系太阳电池的效率提升与增效机理提供了重要依据。在测试过程中,研究团队使用了Enlitech公司最新研发的QE-R量子效率光学仪,以及SS-X系列AM1.5G标准光谱太阳光模拟器,以获得更加准确和可重复的测试结果
  4. 薄膜形貌与结构测试 研究团队还利用原子力显微镜、GIWAXS等先进表征技术考察了三元混合薄膜的形貌与结构信息。原子力显微镜描绘了薄膜表面形貌,GIWAXS则获取了分子堆积结构参数。这些薄膜形貌与结构的信息,证明了PY-IT增强PBQx-TCl聚集、PY-IV抑制过度聚集的调控作用,也揭示了热处理对给体聚集的影响。另外,X射线散射数据还提供了有关相分离程度的定量信息。综合薄膜形貌与结构测试结果,验证了三元混合体系中给体聚合物聚集行为调控的多种机制。
  5. 聚集性质与相互作用测试 此外,研究团队还通过紫外吸收光谱、光致发光光谱以及聚集指数分析等手段考察了给体与受体材料的聚集行为与相互作用。这些光谱测试结果揭示了PY-IT增强PBQx-TCl H聚集、PY-IV调节聚集的作用机制。通过差示扫描量热法等热分析技术,团队确定了三元混合薄膜的玻璃化转变温度,测量到PY-IV的加入提高了该温度。这些结果佐证了PY-IV调控相分离程度,提升热稳定性的调控作用。
  6. 器件稳定性测试 最后,为了验证三元混合体系增强的器件稳定性,研究团队还进行了光照和热稳定性测试。他们通过最大功率点跟踪法检测了器件在室温白光照射下的长时间工作稳定性。实验表明,相比对照组,1:1.2:0.2三元混合体系的器件显示出更好的光照稳定性。此外,团队还进行了85°C高温退火试验,三元混合组的热稳定性同样优于对照组。这充分验证了三元混合策略增强的器件稳定性。

结论

本研究结果显示,结构相似的聚合物受体PY-IT和PY-IV对给体PBQx-TCl的聚集模式产生了不同影响。PY-IT可增强PBQx-TCl的H聚集,而PY-IV的引入适度抑制其过度聚集。研究团队通过调控三者配比,优化了全聚合物混合薄膜的形貌,以实现更高的转化效率和良好的稳定性。 具体而言,1:1.2:0.2三元混合体系的太阳能电池实现了18.81%的创纪录功率转换效率。这不仅是all-PSC体系迄今較高效率,也展现出良好的光热稳定性。实验结果显示,相比二元体系,三元混合体系增强了操作稳定性。热分析结果也揭示了PY-IV对热稳定性的影响。 本研究阐明了聚合物受体协同调控给体聚集的新机制,为构建高效、高稳定全聚合物太阳能电池提供了重要思路。后续工作将在此基础上,通过材料和界面优化,进一步提升转化效率和器件寿命。相信这一策略不仅适用于全聚合物体系,也可推广至其他类型的有机光伏器件。

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