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闵杰课题组有机太阳能电池热稳定性研究取得新进展
相关成果在《自然•通讯》发表
发布时间:2020-03-15 11:42  作者:  来源:高等研究院  访问次数:

新闻网讯(通讯员闵杰)近日,国际期刊Nature Communications (《自然•通讯》) 在线发表高等研究院闵杰课题组在有机太阳能电池稳定性研究方面取得的最新研究成果,论文题为“Simultaneous enhanced efficiency and thermal stability in organic solar cells from a polymer acceptor additive” 。该工作展示了一种能同时提高有机太阳能电池效率和热稳定性的简单普适方法。

闵杰课题组硕士研究生杨文彦、杨楚罗课题组罗正辉为共同第一作者,闵杰为独立通讯作者,武汉大学为第一完成单位。该工作得到了国家自然科学基金和武汉大学自主科研项目等的资助。

据悉,有机太阳能电池(OSCs)因为质量轻、柔性强、色彩丰富等优点而备受关注。特别是,非富勒烯受体材料广泛应用于有机光伏领域,并使OSCs的能量转换效率(PCE)提高到17%以上。基本上满足商业化的需求。但是,器件稳定性研究则相对较少,远未达到商业应用的要求。

通常,电池组件室外实际运行温度高达50至70摄氏度;甚至在一些地区,运行温度高达100摄氏度。可见,热是OSCs衰减的重要应激因素,应妥善解决热稳定性问题。通过引入调控分子结构,提高材料玻璃化转变温度,加入交联剂或增容剂,引入热裂解基团等策略,多个明星光伏体系的热稳定性能得到明显改善。然而,这些方法具有合成复杂、重复性差、普适性低等缺点,限制了其广泛应用。

在本研究中,作者借鉴第三组分材料能够有效降低界面自由能,抑制给受体相分离等优点,通过分子间作用力固化给受体界面区域的策略,选择高分子量、长烷基链且平面共轭的聚合物受体材料PZ1来增加PM6:BTTT-2Cl光伏体系给受体界面的相容性。结果表明,通过控制PZ1的含量,可以优化相分离结构,增加给受体材料的结晶度,促进载流子传输,使PM6:BTTT-2Cl光伏体系PCE从13.80%提高到15.10%。更重要的是,PZ1作为固体添加剂能明显抑制受体分子聚集,固化共混物的微观结构,提升热稳定性能。未掺杂的活性层在150℃加热24小时后,PCE降低到初始效率的一半。相反,PZ1掺杂的活性层在150℃加热800小时后效率损失仅12%。进一步,PZ1掺杂的PM6:BTTT-2Cl光伏体系在极端热循环条件下同样展示出良好的热稳定性,说明其适用于外层空间。此外,其他四个光伏体系的研究表明,PZ1是同时提高活性层效率和热稳定性“万能钥匙”。

总之,作者通过聚合物受体PZ1作为双功能添加剂,开发了一种简单、普适的掺杂策略来提升光伏体系的热稳定性能。而且,所设计的高性能掺杂光伏体系具有在户外和空间应用的潜力。进一步研究需要针对不同类型光伏体系设计特定的双功能添加剂,这将对光伏器件效率和热稳定性的优化和研究具有重要的意义。

PM6:BTTT-2Cl光伏体系和PZ1添加剂以及所优化的器件效率和热稳定性能

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-14926-5

(编辑:付晓歌)




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