巧用絕緣聚合物矩陣，全小分子有機太陽能電池的穩(wěn)定性

更新時間：2024-07-31 點擊次數(shù)：1419

有機太陽能電池（OPV）憑借其輕薄、柔性可彎曲和成本低廉等優(yōu)勢，成為新一代光伏技術(shù)的重要發(fā)展方向。而近年來，全小分子有機太陽能電池（ASM OPV）因其更易于合成、更高的材料可重復(fù)性、以及更易于精確調(diào)控材料特性等優(yōu)點，受到科研人員的廣泛關(guān)注。與聚合物太陽能電池相比，全小分子有機太陽能電池ASM OPV 具有以下顯著的優(yōu)勢和劣勢：

優(yōu)點:

1. 高純度和可控性: 小分子材料可以通過精確的化學合成獲得高純度，這使得材料特性更易于控制和重現(xiàn)，從而提高電池性能的一致性和穩(wěn)定性。

2. 電子遷移率高: 小分子材料通常具有較高的電子遷移率，這有助于提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

3. 溶液加工性: 小分子材料通常易溶于有機溶劑，適合溶液加工技術(shù)，例如旋涂、刮涂和印刷，這些技術(shù)具有低成本和大面積制備的潛力。

4. 結(jié)構(gòu)靈活性: 小分子材料的化學結(jié)構(gòu)可以通過分子設(shè)計靈活調(diào)整，以優(yōu)化光吸收、電荷傳輸和能級匹配。

5. 熱穩(wěn)定性: 小分子材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較高，一般具有更好的熱穩(wěn)定性，這有助于提高電池的使用壽命。

缺點:

1. 薄膜形成難度: 小分子材料在成膜過程中容易出現(xiàn)結(jié)晶和相分離現(xiàn)象，這會影響薄膜的均勻性和電池性能。

2. 溶劑選擇有限: 雖然小分子材料可以溶解在有機溶劑中，但合適的溶劑選擇有限，這可能會影響制程的靈活性。

3. 機械柔韌性較差: 小分子材料的機械柔韌性一般不如聚合物材料，這可能會影響電池在柔性基板上的應(yīng)用。

4. 成本相對較高: 由于小分子材料的合成過程較為復(fù)雜，純度要求高，其成本通常高于聚合物材料。

5. 能級匹配挑戰(zhàn): 小分子材料的能級匹配需要精確設(shè)計，這對材料設(shè)計和制備提出了更高的要求。

另外， ASM OPV 系統(tǒng)也存在著一些問題，例如其分子堆積和聚集結(jié)構(gòu)通常比聚合物系統(tǒng)更加脆弱，導(dǎo)致其在實際應(yīng)用中更容易發(fā)生性能衰退。

近期，香港理工大學李剛教授團隊在 Advanced Materials 期刊上發(fā)表了重要研究成果，為提升全小分子有機太陽能電池的穩(wěn)定性指明了新方向。

【巧妙設(shè)計： 絕緣聚合物矩陣 筑牢穩(wěn)定性堡壘】

為了解決全小分子有機太陽能電池穩(wěn)定性不足的問題，該團隊采用的設(shè)計思路，他們將一種稱為苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯 (SEBS) 的絕緣聚合物添加到了小分子材料混合體系中。

SEBS 作為一種具有優(yōu)異的機械強度和化學穩(wěn)定性的絕緣聚合物，能夠有效地抑制活性層中分子發(fā)生降解和重組，從而有效地提高了電池的穩(wěn)定性。

研究人員通過對不同的 SEBS 含量進行對比實驗，發(fā)現(xiàn)適量的 SEBS 能夠顯著提升電池的壽命：

當 SEBS 含量為 1 mg/ml 時，該團隊實現(xiàn)了驚人的結(jié)果，電池壽命 (T80) 的預(yù)測值高達 15000 小時，遠超未添加 SEBS 以及大量添加 SEBS 的電池 (分別為 900 小時和 30 小時)。

該研究結(jié)果表明， SEBS 是一種能夠在不影響活性層材料可重復(fù)性和成本效益的前提下，顯著提高 ASM OPV 穩(wěn)定性的理想材料。

SEBS 的妙用：

l 抑制分子降解: SEBS 可以作為一種物理屏障，有效抑制活性層中分子，特別是受體分子，發(fā)生氧化、降解，從而延長電池壽命。

l 抑制形貌變化: SEBS 可以有效地抑制活性層發(fā)生非晶化或者結(jié)晶程度發(fā)生變化，從而保持活性層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，有利于保持較好的光電轉(zhuǎn)換性能。

雖然添加 SEBS 會使電池的初始效率略有下降，但這主要是因為 SEBS 的加入改變了活性層的分子排列，而非導(dǎo)致了材料自身的降解。當添加量為 1 mg/ml 時，該團隊依然能維持 15.02% 的電池效率，仍然是無鹵溶劑制備的全小分子有機太陽能電池的優(yōu)異水平。

【穩(wěn)定性提升， 效率依然出色】

該研究工作為全小分子有機太陽能電池穩(wěn)定性的提升提供了一條全新的道路。未來，通過進一步研究 SEBS 以及其他絕緣聚合物的應(yīng)用，研究人員有望開發(fā)出性能更加優(yōu)異的太陽能電池，并在更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域中取得更大的突破，最終推動綠色可再生能源的發(fā)展。

香港理工大學李剛教授團隊的這項研究，通過巧妙的 “絕緣聚合物矩陣" 的設(shè)計策略，有效地提高了全小分子有機太陽能電池的穩(wěn)定性，并將電池壽命延長至令人驚嘆的 15000 小時。這項突破性成果為開發(fā)更穩(wěn)定、更實用的全小分子有機太陽能電池提供了新的思路，對未來推動光伏技術(shù)的應(yīng)用具有重要的意義。

參考文獻

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

【本研究參數(shù)圖】

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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

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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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