浙大陳紅征AM：效率超20%！創(chuàng)新的三元策略協(xié)同分子靜電優(yōu)化OSCs，且具備高擴(kuò)展性

主要內(nèi)容

當(dāng)前，有機(jī)太陽能電池（OSCs）雖具有輕質(zhì)、柔性、可溶液加工等顯著優(yōu)勢，在便攜式電子設(shè)備、可穿戴設(shè)備和建筑一體化光伏等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，但其商業(yè)化進(jìn)程仍面臨諸多挑戰(zhàn)，其中聚合物給體各批次性能的一致性是關(guān)鍵問題之一。在此背景下，浙江大學(xué)陳紅征教授、胡偉飛教授團(tuán)隊長期深耕有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域，在聚合物給體材料設(shè)計與性能優(yōu)化方面積累了豐富經(jīng)驗，多項研究成果處于國際領(lǐng)先水平；杭州師范大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院尹守春教授、占玲玲副教授團(tuán)隊也在有機(jī)光電材料結(jié)構(gòu) - 性能關(guān)系研究上成果斐然，為深入理解材料性能調(diào)控機(jī)制提供了重要理論支持。兩團(tuán)隊強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，帶領(lǐng)團(tuán)隊開展了一項**創(chuàng)新性的研究，旨在顯著提升低效LWPM6的光伏性能，為有機(jī)太陽能電池的商業(yè)化應(yīng)用提供新的策略和見解。

研究發(fā)現(xiàn)，與高分子量PM6（HWPM6）相比，低分子量PM6（LWPM6）雖效率較低，卻具備更優(yōu)的應(yīng)力分散特性和溶液可加工性。應(yīng)力分散特性使得LWPM6在受到外力作用時，能夠通過鏈段運(yùn)動將應(yīng)力分散到整個分子鏈上，減少局部應(yīng)力集中，從而提高材料的機(jī)械穩(wěn)定性；溶液可加工性則意味著LWPM6可以更容易地通過溶液涂布等方法制備成薄膜，有利于大規(guī)模生產(chǎn)。因此，提升LWPM6的性能對于其實際應(yīng)用而言至關(guān)重要。

研究團(tuán)隊通過引入三聚體客體分子（TYT - S），對基于LWPM6的有機(jī)太陽能電池進(jìn)行了優(yōu)化。TYT - S的加入改善了PM6與Y6的相容性，促成了更精細(xì)的相分離和有利的互穿網(wǎng)絡(luò)形貌的形成。這里所說的“互穿網(wǎng)絡(luò)形貌”，是指給體材料和受體材料在薄膜中相互貫穿，形成一種類似網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于電荷的傳輸和分離。“分子靜電勢差異”則是指分子中不同區(qū)域的電子云密度不同，導(dǎo)致分子表面存在靜電勢的差異，利用這種差異可以通過分子間的靜電相互作用來調(diào)控材料的組裝和性能。團(tuán)隊采用的結(jié)合分子靜電勢差異的三元策略，促進(jìn)了LWPM6的預(yù)聚集，延長了成膜時間，并增強(qiáng)了分子的有序性。

基于LWPM6的三元體系因此呈現(xiàn)出優(yōu)化的垂直相分布，**激子解離發(fā)生在陰極附近。激子是一種束縛的電子 - 空穴對，在有機(jī)太陽能電池中，激子需要解離成自由電荷才能產(chǎn)生電流。該體系光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）提升至19.23%，而基于LWPM6的二元體系光電轉(zhuǎn)換效率較低，僅為17.35%。與當(dāng)前行業(yè)平均水平及同類研究相比，這一提升幅度相當(dāng)顯著，顯示出本研究策略的有效性。當(dāng)用BTP - eC9替代Y6時，基于LWPM6的三元器件光電轉(zhuǎn)換效率更是達(dá)到了20.12%，而對應(yīng)的二元體系光電轉(zhuǎn)換效率僅為17.64%。這樣的光電轉(zhuǎn)換效率提升意味著在相同光照條件下，基于LWPM6的有機(jī)太陽能電池能夠輸出更多的電能，大大提高了其在實際應(yīng)用中的能源轉(zhuǎn)換效率和實用性，有望降低有機(jī)太陽能電池的成本，提高其市場競爭力。

除了性能提升，低分子量聚合物還展現(xiàn)出通過鏈段運(yùn)動來分散應(yīng)力的獨(dú)特能力。經(jīng)過3000次彎曲循環(huán)后，基于LWPM6的柔性器件比基于HWPM6的柔性器件能保持更高的初始效率，彰顯出更好的機(jī)械穩(wěn)定性。在小型組件應(yīng)用中，基于LWPM6的器件也表現(xiàn)出良好的溶液可加工性，能夠滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求。

總之，本研究提出了一種創(chuàng)新的三元策略，該策略結(jié)合了分子靜電勢差異，并通過引入三聚體受體TYT - S作為客體分子，顯著提升了基于低效LWPM6的有機(jī)太陽能電池（OSCs）的性能。TYT - S不僅改善了主體二元體系的相容性，實現(xiàn)了更精細(xì)的相分離和更優(yōu)的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，還促進(jìn)了LWPM6的預(yù)聚集，延長了成膜時間，增強(qiáng)了分子堆積的有序性和結(jié)晶度。在基于LWPM6的三元體系中，垂直相分布得到優(yōu)化，激子解離更靠近陰極，光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）大幅提升。當(dāng)使用BTP - eC9作為主體受體時，光電轉(zhuǎn)換效率更是超過了20%。此外，利用低分子量聚合物通過鏈段運(yùn)動分散應(yīng)力的特性，基于LWPM6的柔性器件在經(jīng)過3000次彎曲循環(huán)后仍能保持76%的初始效率，展現(xiàn)出比基于HWPM6的柔性器件更優(yōu)的機(jī)械性能。在小型組件中，該器件也表現(xiàn)出良好的溶液可加工性和效率。本研究為有機(jī)太陽能電池的商業(yè)化應(yīng)用提供了新的見解和策略，有望推動該領(lǐng)域的發(fā)展。

文獻(xiàn)信息

Ternary Strategy and Molecular Electrostatics Collaboratively Optimize Low-Molecular-Weight Polymer Donor Organic Solar Cells: Over 20% Efficiency and High Scalability

Yaxin Yang, Lu Wei, Lingling Zhan, Yuhao Liu, Hongyang Lu, Xiaoling Wu, Adiljan Wupur, Tianyi Chen, Jinyang Yu, Xiaokang Sun, Hanlin Hu, Rui Sun, Jie Min, Yongmin Luo, Jiaying Wu, Weifei Fu, Shouchun Yin, Hongzheng Chen

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202510980

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