有機(jī)太陽(yáng)能電池?zé)岱€(wěn)定性差？來點(diǎn)聚合物受體試試！

:溶液處理的有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSC）由于其質(zhì)輕、柔性好、色彩豐富且易于制造等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，特別是近年來非富勒烯受體材料（NFA）已成功應(yīng)用于高性能OSC，在提高電池效率方面取得了巨大成就，功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）超過17％。

（來源：微信公眾號(hào)“高分子科學(xué)前沿”ID：Polymer-science）

然而，溶液處理OSC的商業(yè)化受到其固有的熱穩(wěn)定性低的限制，由于這些在標(biāo)準(zhǔn)條件下運(yùn)行的設(shè)備會(huì)受到長(zhǎng)期陽(yáng)光照射而產(chǎn)生明顯加熱，因此太陽(yáng)能電池板的實(shí)際工作溫度可能高達(dá)50至70℃，某些地區(qū)甚至達(dá)到100℃，因此，亟需找到有效的方法和策略來提高太陽(yáng)能電池的熱穩(wěn)定性，以滿足實(shí)際戶外應(yīng)用的需求。

近期，武漢大學(xué)的閔杰研究員設(shè)計(jì)并合成了新的非富勒烯受體BTTT-2Cl，并報(bào)告了一種熱穩(wěn)定的本體異質(zhì)結(jié)光伏系統(tǒng)。通過在PM6：BTTT-2Cl活性層中添加光伏聚合物受體PZ1進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，結(jié)果顯示出15.10％的高轉(zhuǎn)換效率，并極大地提高了熱穩(wěn)定性，這種聚合物摻雜共混物顯示出超長(zhǎng)的使用壽命，在150℃的加速老化試驗(yàn)中超過800h仍然保持極高的效率；進(jìn)一步的降解行為分析表明該系統(tǒng)在外太空應(yīng)用中具有廣闊的前景；并通過在其他光伏系統(tǒng)中使用聚合物受體作為雙功能添加劑，證實(shí)了這種聚合物摻雜策略的通用性。

材料結(jié)構(gòu)和特性

圖1a顯示了研究人員合成的NFA材料BTTT-2Cl、受體添加劑PZ1及聚合物供體PM6的化學(xué)結(jié)構(gòu)；從圖1b的紫外光譜可以看出，PM6：BTTT-2Cl共混物的吸收最大值出現(xiàn)藍(lán)移，添加1 wt％PZ1使峰強(qiáng)度明顯增加，并出現(xiàn)輕微的紅移，表明納米級(jí)域中分子的有序排列和π-π相互作用的不斷增加。

圖1c的能級(jí)結(jié)果表明，PM6：BTTT-2Cl的結(jié)合有利于BHJ共混體系中激子的解離，PM6：BTTT-2Cl共混物的光致發(fā)光強(qiáng)度隨著PZ1的加入而增大，表明PM6與BTTT-2Cl之間的界面面積減小了。通過AFM和2D-GIWAXS觀察到了這種變化的混合物形態(tài)，結(jié)果如圖1d所示，摻有1 wt％PZ1的混合物顯示出更大的相互連接區(qū)域。

圖1.材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)及表征

OSC的熱穩(wěn)定性

研究人員用常規(guī)結(jié)構(gòu)制造光伏器件，并分別在110°C和150°C溫度下對(duì)PM6：BTTT-2Cl共混物進(jìn)行熱穩(wěn)定性測(cè)試。

結(jié)果如圖2a所示，在150℃持續(xù)加熱24h和110℃持續(xù)加熱120h后，未摻雜PZ1的效率分別損失了52％和65％；而相同條件下?lián)诫s1 w％PZ1的共混物表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，在110°C和150°C加熱800h后僅表現(xiàn)出5％和12％的效率損失。此外，圖2b顯示添加不同重量比PZ1在48h之后，系統(tǒng)的PCE均保持在88-97％。這些結(jié)果均表明摻雜PZ1的PM6：BTTT-2Cl在高溫下具有超高的熱穩(wěn)定性。

圖2.OSC的熱穩(wěn)定性測(cè)試

模擬OSC在外太空中的應(yīng)用

隨后，研究人員進(jìn)一步評(píng)估了PZ1摻雜的PM6:BTTT-2Cl在模擬月球、近地軌道衛(wèi)星和火星空間環(huán)境的長(zhǎng)期熱循環(huán)穩(wěn)定性。結(jié)果如圖3所示，經(jīng)多次熱循環(huán)后，設(shè)備的功率轉(zhuǎn)換效率的始終保持在90％以上，摻PZ1的共混物在短時(shí)間的熱循環(huán)內(nèi)沒有明顯的降解行為。表明PZ1摻雜的PM6：BTTT-2Cl光伏系統(tǒng)具有在極端環(huán)境下以及溫度交替變化的惡劣條件下應(yīng)用的潛力。

圖3.光伏器件的熱循環(huán)穩(wěn)定性和理論效率

PZ1摻雜策略的通用性

最后，研究人員研究了PZ1摻雜于圖4a所示的其他四個(gè)光伏系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性，用于證明該摻雜策略的通用性。

結(jié)果如圖4b所示，在150°C下加熱48h后，添加不同含量PZ1的四個(gè)系統(tǒng)均顯示出改善的熱穩(wěn)定性能，尤其是添加質(zhì)量比1%的PZ1時(shí)PCE下降幅度最小。表明PZ1的添加改善了這些非富勒烯和富勒烯基共混物的熱穩(wěn)定性，進(jìn)一步證明了這種PZ1摻雜策略的良好通用性。

圖4.光伏系統(tǒng)的化學(xué)結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性測(cè)試

在本篇文章中，研究人員開發(fā)了一種PZ1摻雜的PM6：BTTT-2Cl光伏系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有良好的轉(zhuǎn)換效率和出色的熱穩(wěn)定性，具有在室外和太空中廣泛應(yīng)用的潛力。這項(xiàng)工作為太陽(yáng)能電池的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域提供了一種聚合物摻雜策略，以開發(fā)高效且熱穩(wěn)定的有機(jī)光伏系統(tǒng)。我們相信，這項(xiàng)技術(shù)將來可用于改善OSC的光伏性能并促進(jìn)其商業(yè)應(yīng)用。

原標(biāo)題:有機(jī)太陽(yáng)能電池?zé)岱€(wěn)定性差？來點(diǎn)聚合物受體試試！