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港理工李剛教授 Adv. Mater.：探尋全聚合物三元太陽能電池策略對改善burn-in效率損失的形貌和光物理機理
2023-02-13  來源：高分子科技


  全聚合物太陽能電池（All-PSC）被認為是實際應(yīng)用中最有前途的有機光伏（OPV）技術(shù)，由于與小分子組成的對應(yīng)物相比具有優(yōu)異的形態(tài)穩(wěn)定性和機械耐久性。然而，由于供體-受體混合不充分（導(dǎo)致自由激子產(chǎn)生較弱）和平庸的結(jié)晶（導(dǎo)致電荷傳輸?shù)停?/span>all-PSC 的功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 值長期表現(xiàn)不佳，直到聚合小分子受體 (PSMA) 被提出。迄今為止，推動all-PSC 效率超過 17% 的快速發(fā)展顯示了該研究領(lǐng)域的新活力。


  目前all-PSC的研究主流是進一步提升PCE與小分子組成的對照體系的PCE一樣高，而根據(jù)經(jīng)驗，三元共混策略是實現(xiàn)這一目標(biāo)最常用的方法之一。值得注意的是，這些作品也更傾向于聲稱增強的設(shè)備穩(wěn)定性和有時更好的機械耐用性，但很少有作品提供對此類改進的深入理解。由于 PSMA 的化學(xué)性質(zhì)現(xiàn)在已經(jīng)從傳統(tǒng)的基于苝二酰亞胺 (PDI) 和萘二酰亞胺 (NDI) 的化學(xué)性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榛谛》肿拥幕瘜W(xué)性質(zhì)，因此器件穩(wěn)定性的變化值得進行更深入的研究，而不是作為與報告一起報告的附加參數(shù)三元體系設(shè)計促進的PCE。


  在穩(wěn)定性增強方面，最有效的方法之一是減少形態(tài)和OPV器件的老化損失。除了陷阱輔助重組增加的廣泛認可機制外，形態(tài)退化（尤其是供體和受體的混合或去混合）也被發(fā)現(xiàn)是一個重要因素。由于這兩種進化行為都可能導(dǎo)致顯著的老化損失，因此找到一個平衡點以最小化不需要的形態(tài)退化應(yīng)該是一個不錯的選擇。因此，混合兩種具有不同相演化方向的高效二元供體-受體系統(tǒng)有望成為一種合理實用的三元策略，以獲得高效穩(wěn)定的 OPV 器件。此外，將all-PSCs的器件性能、有源層形貌和物理參數(shù)關(guān)聯(lián)起來有利于理解穩(wěn)定性變化，但尚未引起足夠重視。


  在這里，選擇 PQM-Cl:PY-IT 和 PTQ10:PY-IT 兩個親本二元全聚合物體系來構(gòu)建高性能三元共混物。由于系統(tǒng)地提高了開路電壓 (VOC)、短路電流密度 ( JSC)和填充因子(FF)，隨著薄膜的延展性同步上升。更重要的是，與其他組件比的對應(yīng)物相比，優(yōu)化后的三元all PSC 在最大功率點 (MPP) 跟蹤下獲得了顯著增強的器件運行穩(wěn)定性，這主要是由于“burn-in”退化的緩解。基于這種組分比例的變化，研究者制做了活性層在 N2 手套箱中 1 太陽光照下活性層退化 10 小時的器件，結(jié)果進一步支持了最佳三元混合物中的“burn-in”損失最小化。形貌學(xué)表征在強光應(yīng)力后最佳三元薄膜中呈現(xiàn)出良好的相分離，而其他系統(tǒng)則偏離其自身的初始狀態(tài)。至于結(jié)晶行為，正面取向和 π-π 堆疊排序在最佳三元混合物中也得到了最好的保持？紤]到所有其他體系的參數(shù)，PTQ10 的形貌降解方向與 PQM-Cl 的相反，這可能在混合比為 0.8:0.2:1.2 時實現(xiàn)所需的平衡。此外，光物理實驗揭示了從 PTQ10 到 PQM-Cl 的電荷轉(zhuǎn)移途徑，它還充當(dāng)額外的電荷產(chǎn)生通道，保護了供體混合物中的 PQM-Cl 電荷產(chǎn)生特征，以及在最佳三元系統(tǒng)中保持良好的空穴轉(zhuǎn)移動力學(xué)PQM-Cl:PY-IT 和 PTQ10:PY-IT 二元薄膜中相反變化方向?qū)е碌墓馕障嗷サ窒。這項工作清楚地提出了合理的三元設(shè)計的意義，以通過全面的形態(tài)和物理研究支持提高器件穩(wěn)定性，推動構(gòu)建具有良好性j能參數(shù)的全 PSC 的前景。


圖1. 活性層材料的分子結(jié)構(gòu)式和基本光電，本征性能。


要點：


  1、最優(yōu)三元全聚合物體系達到18.45%的記錄PCE，且在MPP追蹤下于2000小時運行后，仍保持>60%的初始效率。

  2、有源層的薄膜延展性亦有所提升。實驗對照組揭示穩(wěn)定性表現(xiàn)差異主要來自于器件burn-in損失的不同。 


圖2. 薄膜形貌表征 


圖3. 飛秒瞬態(tài)吸收光譜數(shù)據(jù)。
 

圖4. 器件穩(wěn)定性變化的形貌和激子行為機理示意圖

  綜上所述，他們在此關(guān)注all-PSC最受關(guān)注的話題，如三元器件設(shè)計、光穩(wěn)定性和底層機制。與基于 PQM-Cl:PY-IT 和 PTQ10:PY-IT 的二元全 PSC 相比，基于 PQM-Cl:PTQ10:PY-IT (0.8:0.2:1.2) 的三元全 PSC 同時實現(xiàn)了更高的 PCE 、薄膜延展性和器件穩(wěn)定性。器件壽命延長是通過減輕老化損耗實現(xiàn)的，因此通過比較新鮮薄膜和光降解薄膜，在 PCE、形態(tài)特征和激子行為方面進一步了解工作。然后發(fā)現(xiàn) PQM-Cl 和 PTQ10 表現(xiàn)出相反的形態(tài)演變趨勢，幸運的是在混合時達到平衡，從而使純和混合的相長度尺度保持良好。這種抵消策略也成功地保持了電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)。因此，這項工作揭示了精細三元混合設(shè)計的潛在物理和形態(tài)機制，能夠減少高效穩(wěn)定all PSC 的“burn-in”損失。


  文章第一作者為香港理工大學(xué)卓越博士后研究員馬睿杰，文章通訊作者為西安交通大學(xué)凡群平教授，馬偉教授和香港理工大學(xué)李剛教授。香港理工大學(xué)李明杰教授，香港中文大學(xué)路新慧教授和香港科技大學(xué)廣州校區(qū)吳佳瑩教授亦做出重要貢獻。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202212275


作者簡介


  李剛，香港理工大學(xué)電子及資訊工程學(xué)系 講席教授，鍾士元爵士可再生能源冠名教授。研究聚焦于可印刷太陽能電池（有機聚合物太陽能電池，鈣鈦礦太陽能電池）及相關(guān)領(lǐng)域。本科畢業(yè)于武漢大學(xué)空間物理學(xué)系，愛荷華州立大學(xué)凝聚態(tài)物理博士及電機工程碩士。2016年來港前為加州大學(xué)洛杉磯分校UCLA研究教授。李剛教授發(fā)表科技期刊論文200余篇，被引七萬三千余次，H-因子84（谷歌學(xué)術(shù)）。他是美國光學(xué)學(xué)會會士（Optica Fellow）英國皇家化學(xué)會會士（RSC Fellow），國際光電工程學(xué)會會士（SPIE Fellow）香港研究資助局高級研究學(xué)者 (RGC SRFS)。自2014年至今為湯森路透/科睿唯安 全球高被引科學(xué)家（材料科學(xué)，化學(xué)，物理, 交叉領(lǐng)域）。



  馬睿杰，香港理工大學(xué)卓越博士后研究員。2018年于浙江大學(xué)取得物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，2018-2022年在香港科技大學(xué)攻讀化學(xué)博士學(xué)位（導(dǎo)師：顏河教授）。2022.8加入香港理工大學(xué)電子與信息工程系李剛教授團隊。主要從事第三代太陽能光伏器件的前沿科研。作為第一或通訊作者在Joule, Adv. Mater, Energy Environ. Sci.，Matter，Adv. Energy Mater.，等國際著名期刊已發(fā)表論文40余篇？傄么螖(shù)超過4300次，H-因子37。2018年入選香港政府研究生獎學(xué)金計劃（HKPFS）。2022年入選科睿唯安-交叉領(lǐng)域“全球高被引科學(xué)家”。


  下載：Unveiling the Morphological and Physical Mechanism of Burn-in Loss Alleviation by Ternary Matrix Towards Stable and Efficient All-Polymer Solar Cells

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