導(dǎo)讀目錄
1. 有機(jī)光伏的研究進(jìn)程與挑戰(zhàn)
2. 研究動(dòng)機(jī)解析
3. 研究手法與表征設(shè)備的運(yùn)用
4. 有機(jī)光伏的強(qiáng)力生力軍_DP3:L8-BO
有機(jī)光伏的研究進(jìn)程與挑戰(zhàn)
近年來(lái)，有機(jī)光伏（OPV）因其低毒性、輕質(zhì)、柔性和大面積加工能力而備受關(guān)注，該技術(shù)取得了顯著進(jìn)步，特別是在效率、穩(wěn)定性和成本方面，為單結(jié)器件帶來(lái)了積極變化。然而，有機(jī)光伏OPV材料在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨挑戰(zhàn)，尤其是溶液可加工性問(wèn)題。武漢大學(xué)閔杰團(tuán)隊(duì)于 最新一期的Advanced Materials中介紹了一種新型高效聚合物給體材料DP3，其特點(diǎn)是包含富電子的苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩單元和兩個(gè)簡(jiǎn)單的受體單元。DP3旨在增強(qiáng)分子間相互作用并優(yōu)化塊狀異質(zhì)結(jié)的微結(jié)構(gòu)。DP3系統(tǒng)在功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）方面表現(xiàn)出色，最高可達(dá)19.12%，并且在不同條件下的器件效率均超過(guò)18%，展現(xiàn)了其在商業(yè)應(yīng)用中的潛力。
研究動(dòng)機(jī)解析
過(guò)去的十年中，窄帶隙小分子受體（SMAs）和聚合SMAs（PSMAs）的研究取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，這些材料與寬帶隙聚合物供體（PDs）相匹配，提高了短路電流密度和填充因子，同時(shí)減少了電壓損失。新興的A-DA′D-A型SMAs將OPVs的PCE提升至15-20%的新水平。除了高效率，OPV應(yīng)用還需要良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，目前已有一些系統(tǒng)如PY-IT、PY2F-T和OY3等展現(xiàn)出穩(wěn)定性，T80值超過(guò)10,000小時(shí)。隨著成本成為關(guān)注的焦點(diǎn)，研究者們開(kāi)始合成簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的PDs和非融合環(huán)SMAs，這些材料在設(shè)備性能方面顯示出良好前景。
盡管OPV技術(shù)在效率、穩(wěn)定性和成本方面取得了顯著進(jìn)展，但解決方案可加工性仍是亟待解決的問(wèn)題。工業(yè)應(yīng)用需要一套完整的關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPIs），包括分子量不敏感性、活性層厚度不敏感性、與環(huán)保溶劑的兼容性、高速加工能力和克服縮放滯后的能力。目前，只有少數(shù)系統(tǒng)在這些方面表現(xiàn)出色。我們的研究通過(guò)設(shè)計(jì)新型寬帶隙聚合物供體PDs，特別是DP3。
以下整理出研究團(tuán)隊(duì)所面臨到的痛點(diǎn)說(shuō)明本研究旨在解決:
解決方案可加工性（Solution Processability）: OPV材料在實(shí)際應(yīng)用中需要能夠在各種條件下（如不同分子量、混合厚度和涂布速度）保持高效率。因此，研究需要開(kāi)發(fā)出對(duì)這些變量不敏感的材料，以確保制程的一致性和可擴(kuò)展性。
功率轉(zhuǎn)換效率（Power Conversion Efficiency, PCE）: 雖然OPV材料在效率方面取得了進(jìn)步，但仍需進(jìn)一步提升PCE以達(dá)到商業(yè)應(yīng)用的要求。研究目標(biāo)是開(kāi)發(fā)出具有更高PCE的材料，以提高太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的效率。
長(zhǎng)期穩(wěn)定性（Long-term Stability）: OPV系統(tǒng)需要在長(zhǎng)時(shí)間使用后仍能保持高效率。研究需要確保開(kāi)發(fā)的材料具有良好的運(yùn)行穩(wěn)定性，以延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。
成本（Cost）: OPV材料的成本是商業(yè)化的重要因素。研究需要合成成本效益高的材料，以降低太陽(yáng)能發(fā)電的整體成本。
環(huán)境影響（Environmental Impact）: 使用環(huán)保溶劑進(jìn)行加工是OPV技術(shù)商業(yè)化的重要方面。研究需要開(kāi)發(fā)出與非有害溶劑兼容的材料，以減少對(duì)環(huán)境的影響。
大面積模塊生產(chǎn)（Large-area Module Production）: 在從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模轉(zhuǎn)向大面積生產(chǎn)時(shí)，常常會(huì)遇到效率降低的問(wèn)題。研究需要開(kāi)發(fā)出能夠在縮放過(guò)程中保持高效率的材料，以實(shí)現(xiàn)商業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)。
研究手法與表征設(shè)備的運(yùn)用
在研究過(guò)程中，研究者通過(guò)偶聯(lián)反應(yīng)合成了DP1、DP2、DP3和DP4等聚合物給體材料。合成的聚合物材料經(jīng)過(guò)一系列表征技術(shù)，如: 核磁共振（NMR）光譜、紫外-可見(jiàn)吸收光譜（UV-vis）、循環(huán)伏安法（CV）等設(shè)備進(jìn)行分析，以確定其化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。
薄膜制備與表征的階段，則使用旋轉(zhuǎn)涂覆、刮刀涂覆或印刷技術(shù)制備活性層薄膜。其中使用了原子力顯微鏡（AFM）和X射線散射技術(shù)，如Grazing incidence wide-angle X-ray scattering（GIWAXS）提供了有關(guān)材料在薄膜狀態(tài)下的微觀結(jié)構(gòu)信息，對(duì)于理解材料的電荷傳輸特性和光伏性能非常重要。
另外接續(xù)，
1. 太陽(yáng)能電池裝置制備與測(cè)試：
o 將制備的活性層薄膜與其他層（如電子/空穴傳輸層、電極等）結(jié)合，組裝成完整的太陽(yáng)能電池裝置。
o 在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下（AM 1.5G，100 mW/cm2）使用太陽(yáng)能仿真器進(jìn)行光電流密度-電壓（J-V）測(cè)量，以評(píng)估太陽(yáng)能電池的性能參數(shù)，如開(kāi)路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）、填充因子（FF）和功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）。
2. 進(jìn)行外量子效率（EQE）測(cè)量，以評(píng)估太陽(yáng)能電池在不同波長(zhǎng)下的光電轉(zhuǎn)換效率。
此表征量測(cè)采用光焱科技之 QE-R外量子效率量測(cè)解決方案，有效為研究提供了精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)外，也因?yàn)榕渲昧斯忪涂萍妓邪l(fā)的軟件，進(jìn)行量測(cè)前的設(shè)定后，再更有效率地進(jìn)行多項(xiàng)器件的量測(cè)。
突破性解決方案：QE-R SPOT-V光斑定位系統(tǒng)，操作人員能夠在屏幕上透過(guò)實(shí)時(shí)影像，觀測(cè)光斑的精確位置，并且在數(shù)秒內(nèi)完成精確對(duì)位。
3. 穩(wěn)定性測(cè)試：
o 在特定的環(huán)境條件下（如溫度、濕度、光照等）對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試，以評(píng)估其壽命和性能衰退。
此表征量測(cè)采用光焱科技之SS-X160R AM1.5G太陽(yáng)光仿真器，為邁向大光斑研究的走向，提供了一套完整的解決方案。光焱科技的設(shè)備制造過(guò)程受ISO17025之嚴(yán)格把關(guān)，致力提供讓研究人員精準(zhǔn)且快速量測(cè)的表征設(shè)備。
SS-X系列新研發(fā)EDGS塵護(hù)盾，為多數(shù)課題組帶來(lái)了設(shè)備維護(hù)新觀點(diǎn)。
4. 理論計(jì)算與模擬：
o 可能使用量子化學(xué)計(jì)算或分子動(dòng)力學(xué)仿真來(lái)預(yù)測(cè)材料的電子結(jié)構(gòu)、能級(jí)對(duì)齊和分子間相互作用。
5. 數(shù)據(jù)分析與比較：
o 對(duì)不同條件下的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如不同分子量、薄膜厚度和涂布速度下的性能比較。
o 與其他已知材料的性能進(jìn)行對(duì)比分析，以評(píng)估新材料的優(yōu)勢(shì)和潛力。
有機(jī)光伏的強(qiáng)力生力軍_DP3:L8-BO
研究人員成功開(kāi)發(fā)了具有簡(jiǎn)單受體單元的聚合物供體DP1和DP3。與模板DP1相比，隨機(jī)共聚物DP3在溶液和薄膜狀態(tài)下表現(xiàn)出更強(qiáng)的聚集性，更合適的物理動(dòng)態(tài)和相分離，該材料具有更好的溶液可加工性。從而提高了器件性能。
此外，
1. DP3系統(tǒng)在功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）方面取得了19.12%的最高記錄
2. 在不同分子量、混合厚度和涂布速度下均保持了超過(guò)18%的效率。
3. 制備了小面積（0.029 cm2）和大面積（15.40 cm2）的太陽(yáng)能模塊，并測(cè)得其PCE分別為18.65%和15.53%。
4. 在高速涂布和非鹵化溶劑處理方面表現(xiàn)出優(yōu)于其他商業(yè)化材料的性能和效率，并且與多種受體材料兼容。
相較于比DP1器件以及引用的其他商業(yè)化材料PM6和D18要好得多
5. 光穩(wěn)定性測(cè)試中，DP3系統(tǒng)表現(xiàn)出穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)200小時(shí)連續(xù)光照后仍能保持86.13%的初始PCE
由本研究的發(fā)表可得知研究團(tuán)隊(duì)嘗試以創(chuàng)新的材料進(jìn)行有機(jī)光伏器見(jiàn)的優(yōu)化，并在上述各項(xiàng)的論證結(jié)果當(dāng)中，進(jìn)一步證明了DP3材料的廣泛應(yīng)用潛力外，亦展現(xiàn)了其在工業(yè)生產(chǎn)中的強(qiáng)大潛力，為下一代OPV材料的開(kāi)發(fā)和評(píng)估提供了重要的參考，并為實(shí)現(xiàn)工業(yè)化目標(biāo)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
推薦產(chǎn)品
1. SS-X系列
2. QE-R系列
文獻(xiàn)參考自Adv. Mater.2024_ DOI: 10.1002/adma.202406329
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