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科技進(jìn)展
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有機(jī)太陽能電池(OSCs)因具有輕、薄、柔以及可溶液加工等突出優(yōu)點,在可穿戴、便攜式能源及建筑光伏一體化等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。眾所周知,高能量轉(zhuǎn)換效率(PCEs)和長期穩(wěn)定性對于有機(jī)太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化至關(guān)重要。近年來,得益于新型小分子受體的研究,有機(jī)光伏電池的能量轉(zhuǎn)換效率得到顯著提升,但是小分子在光、熱等條件下的快速擴(kuò)散會引起形貌退化,導(dǎo)致含有小分子受體的光伏活性層通常存在器件穩(wěn)定性較差的問題。相較于小分子受體,具有高分子量、大分子尺寸特征的寡聚受體,因其較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)使分子的擴(kuò)散行為和形貌衰退受到抑制,對提高OSCs的長期穩(wěn)定性至關(guān)重要,但是較大分子尺寸的寡聚物往往表現(xiàn)出更為復(fù)雜的分子構(gòu)型,分子堆疊及相分離行為難以控制,會嚴(yán)重影響光伏電池的性能。因此,面向兼具高光伏效率、高穩(wěn)定性的有機(jī)太陽能電池,開發(fā)新型寡聚受體的設(shè)計策略既有必要同時也極具挑戰(zhàn)性。

近期,青島能源所包西昌研究員帶領(lǐng)的先進(jìn)有機(jī)功能材料與器件團(tuán)隊在新型多臂寡聚受體的研究中取得重要進(jìn)展,開發(fā)了兩類多臂寡聚受體3BY和3QY,并通過調(diào)節(jié)非稠合核心單元的剛?cè)岫?,實現(xiàn)對外圍功能臂的構(gòu)型及聚集態(tài)調(diào)控,顯著提高了OSCs的光伏效率和穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)剛性π-稠合核心不同,該研究中采用的非稠合結(jié)構(gòu)賦予材料更高的柔性和適應(yīng)性,從而減輕了核心單元對寡聚物構(gòu)型和聚集行為的制約。同時,通過在非稠合中心引入多維非共價鍵分子內(nèi)相互作用,實現(xiàn)了對分子間堆積及給受體共混動力學(xué)更為精細(xì)的優(yōu)化。最終,以聚合物PM6為給體,基于3QY的光伏電池PCE達(dá)到19.27%(權(quán)威驗證效率18.80%),優(yōu)于基于3BY器件的性能(17.75%),位列目前已報道的寡聚受體的最高效率。更為重要的是,新型寡聚物的大分子尺寸顯著提升了玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,抑制了電池運行時分子擴(kuò)散速率,從而增強(qiáng)了光伏器件的穩(wěn)定性。在80oC連續(xù)加熱條件下,PM6:3QY光伏電池的T80%壽命(性能衰減到初始效率的80%所需要的時間)超過3000小時。該研究不僅明確了多臂寡聚物受體的結(jié)構(gòu)-性能內(nèi)在關(guān)系,還提出了基于非稠合核心的新型寡聚受體設(shè)計策略,為高效且穩(wěn)定OSCs的研究提供了新思路。

相關(guān)研究成果近期發(fā)表在Energy & Environmental Science期刊(Energy Environ. Sci.,2024,DOI: 10.1039/D4EE04149F)。論文第一作者為博士后孫成和王劍曉,通訊作者為包西昌研究員和李永海副研究員。本研究得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會、山東能源研究院、中國博士后科學(xué)基金、及山東省博士后創(chuàng)新人才支持計劃等項目資助。

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