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南昌大學陳義旺、胡笑添團隊 Adv. Mater.：多模態(tài)能量耗散使柔性有機光伏認證效率突破19%
2024-12-11  來源：高分子科技

  便攜式可穿戴設備在人體健康監(jiān)測、人機交互和醫(yī)療保健等方面具有巨大的應用潛力。除了基本的功能外，便攜式可穿戴設備在實際場景中還需要優(yōu)異的機械性能，如柔韌性、可拉伸性甚至可附著性。在現有的可穿戴電源技術中，全聚合物有機太陽能電池（OSCs）憑借優(yōu)異的力學性能與光伏性能，展現出無與倫比的應用潛力。然而聚合后的小分子受體仍保留了小分子的部分力學性能和聚集性能，無法滿足柔性器件的延展性要求。此外，柔性器件的PCE仍然滯后于剛性器件，并缺乏權威可靠的第三方認證，這無疑制約了柔性OSCs的實際應用，導致推廣應用過程相對緩慢。因此，同時獲得高光伏性能和優(yōu)異的拉伸性能仍然是OSCs面臨的巨大挑戰(zhàn)。


  基于此，南昌大學陳義旺&胡笑添團隊基于多模態(tài)能量耗散理論，通過在PM6:PBQx-TF:PY-IT活性層薄膜中添加熱塑性彈性體材料（聚氨酯，PU）來共同提升柔性器件的力學性能與光伏性能，相關成果發(fā)表于Advanced Materials期刊。多纖維網絡結構的構建和薄膜殘余應力的降低有助于載流子傳輸性能的提升和缺陷態(tài)密度的降低。最終在有效面積為0.102 cm2的柔性器件上實現了19.40%的PCE，第三方認證PCE達到19.07%，為目前柔性OSCs的最高PCE。為進一步驗證該策略在大面積組件應用方面的潛力，制備了基于25 cm2的柔性和超柔性模組，其PCE分別為15.48%和14.61%，并進行了示范應用。


  2024年12月10日，相關成果以“Synergistic Multimodal Energy Dissipation Enhances Certified Efficiency of Flexible Organic Photovoltaics Beyond 19%”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上。論文的第一作者為南昌大學化學化工學院博士生李豪杰，通訊作者為南昌大學陳義旺教授和胡笑添教授。


  首先，為了探究彈性體材料在給體和受體材料中的互容性，計算了不同彈性體材料相對于供體/受體材料的表面能變化，并通過計算Flory-Huggins相互作用參數（χ）及混相度參數，比較彈性體材料在給體材料和受體材料中的混相差異。其中，混相度參數越小，彈性體材料在給體材料中的混相性越好。在傳統器件結構PI/ITO/PEDOT:PSS/活性層/PNDIT-F3N/Ag的基礎上，研究了不同彈性體的摻入對柔性太陽電池光伏性能的影響。當彈性體材料為聚氨酯（PU）時，柔性器件PCE最高，為19.40%。為了進一步驗證結果的真實性，華南國家計量中心對添加PU的柔性器件進行了第三方效率認證，PCE高達19.07%，是柔性OSCs領域最高的PCE。


圖1 柔性器件的材料特性及光伏特性表征。（a）活性層材料的化學結構。（b）不同彈性體材料在活性層膜中的混相以及加入后柔性器件的最佳PCE。（c）華南計量中心基于0.102 cm2柔性器件的J-V特性曲線。（d）本研究中柔性器件認證PCE與2020年至2024年間報告文獻的對比。基于25cm2。（e）柔性襯底和（f）可貼附式襯底模組的J-V特性曲線。（g）模組PCE隨MPP跟蹤試驗時間。（h）模組示范應用的數碼照片。


  良好的柔韌性與延展性是可貼附式OSCs的基本要求。使用峰值力定量納米力學測試（PF-QNM），原子力顯微鏡（AFM）衍生的納米壓痕測試，薄膜-彈性體（film- to -elastomer，FOE）法以及水膜拉伸法（FOW）系統研究了共混膜的力學性能隨PU含量的變化規(guī)律發(fā)現：隨著PU質量分數的增加，共混膜的斷裂應變和韌性逐漸增大，彈性模量逐漸降低，拉伸性能顯著提高。


圖2 聚氨酯對活性層膜力學性能的改善。（a）納米壓痕試驗后不同薄膜的高度圖像。（b）PF-QNM法得到不同PU含量的活性層膜的DMT模量。（c）不同PU含量的活性層膜在40%應變下的OM圖像。（d）不同PU含量下活性層膜的應力-應變曲線。（e）不同PU含量活性層膜在彎折條件下的有限元模擬。


圖3 多光纖網絡結構對載流子傳輸特性的增強作用。不同PU含量活性層膜AFM的（a）高度圖，（b）相圖和（c）透射電鏡圖。（d-f）不同PU含量器件的電子和空穴遷移率。


圖4 薄膜中殘余應力的下降有助于缺陷態(tài)密度的降低。（a）不同PU含量的活性層膜的GIWAXS二維圖。（b）不同PU含量的活性層膜在相同彎曲次數下的XRD特征峰移圖。（c）器件的阱態(tài)密度（tDOS）。（d）機械性能和光電性能共同提升的機理示意圖。


  根據對活性層薄膜性能的分析，熱塑性彈性體的增韌增效機理如圖4d所示。在微觀層面上，PU的加入有利于在活性層膜內構建多纖維網絡結構，增強載流子輸運性能，從而提高光伏性能。此外，當薄膜受到應變時，這種多纖維網絡有助于有效耗散和傳遞能量，防止應力集中。在介觀層面上，PU在給體/受體界面處起到“分子彈簧”的作用，增強了給體/受體之間的相互連接，使膜裂縫的擴展最小化，并耗散了界面處應變產生的能量。從宏觀上看，PU的加入降低了活性層薄膜中的殘余應力，提高了薄膜的力學性能，同時降低了缺陷態(tài)密度和載流子復合。簡而言之，PU的加入有助于構建光纖網絡結構，降低殘余應力，從而改善載流子輸運性能和多模態(tài)能量耗散。這種協同效應最終提高了柔性器件的光伏和機械性能。


  上述研究工作得到國家自然科學基金、江西省“雙千計劃”科技創(chuàng)新高端人才項目，以及北京大學長三角光電科學研究院等單位的支持。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202411989

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（責任編輯：xu）
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