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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
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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
来源:武汉大学 新闻网
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