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中科院寧波材料所實現(xiàn)高機械延展性柔性有機太陽能電池
日期:2022-04-20   [復制鏈接]
責任編輯:yutianyang_tsj 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
北京時間2022年4月19日晚23時,中科院寧波材料所葛子義研究員團隊在Matter上發(fā)表一篇題為“Entangled structure morphology by polymer guest enabling mechanically robust organic solar cells with efficiencies of over 16.5%”的新研究。

科研團隊通過三元策略引入聚合物受體第三組分,形成的纏繞結(jié)構(gòu)形態(tài)有效提高了其斷裂拉伸應變,實現(xiàn)了高延展性活性層薄膜的制備。此外,固化的薄膜形態(tài)也提高了器件的熱儲存穩(wěn)定性。論文通訊作者是葛子義研究員;第一作者是宋偉博士研究生。

有機太陽能電池(Organic solar cells, OSCs)因其成本低、質(zhì)量輕和可柔性化等諸多優(yōu)點,在柔性和便攜式設備中具有廣泛的應用前景,受到越來越多的重視。特別是柔性OSCs可作為可穿戴電子體系(電子紡織品和合成皮膚等)的供電系統(tǒng)成為了研究人員關(guān)注的熱點。隨著新型可穿戴電子體系在生命體征監(jiān)控、人機交互等領(lǐng)域迅猛發(fā)展,可延展性、高彈性特點成為其中磅礴興起的熱點方向。近年來,盡管OSCs發(fā)展迅速,但是柔性光伏器件的效率遠低于剛性器件的效率水平,尤其是對可延展性柔性OSCs的研究嚴重滯后。

圖1:三元柔性OSCs的J-V曲線和熱儲存下的效率衰減圖

近日,中科院寧波材料所葛子義團隊通過三元策略引入能級匹配和光譜互補的聚合物PY-IT第三組分,有效調(diào)控了活性層形貌,基于Ag grids/PET柔性電極制備的三元電池效率獲得了16.52%。得益于活性層纏繞結(jié)構(gòu)的合理構(gòu)筑,器件的機械穩(wěn)定性和熱儲存穩(wěn)定性都得到明顯提高。制備的倒置器件85℃避光儲存在手套箱中研究其熱穩(wěn)定性,相比于二元器件,三元器件在熱儲存下的效率衰減明顯減弱。

圖2:活性層薄膜拉伸斷裂機制示意圖

通常聚合物具有長鏈優(yōu)勢,且分子之間結(jié)合緊密,克服了小分子脆性特性,通過三元策略引入聚合物PY-IT客體有效構(gòu)筑了纏繞結(jié)構(gòu)形態(tài)活性層,沿鏈長分布式的負載應力易于消散應變能,提高薄膜延展性。隨著客體PY-IT摻雜比例的增大,活性層薄膜的斷裂拉伸應變也提高。此外固化的薄膜形態(tài)有效抑制了小分子受體的擴散和結(jié)晶。


圖3:單組份純膜、PM6:BTP-eC9 (0%), PM6:BTP-eC9:PY-IT (10%)和BT-2F: BTP-eC9活性層薄膜的GIWAXS。

GIWAXS研究不同體系活性層薄膜的結(jié)晶和堆積。圖3(B)中,相比于85℃熱退火10分鐘,160℃退火4h后的全小分子薄膜π-π堆疊衍射峰(藍色部分1)和層狀堆疊衍射峰(藍色部分3)更尖銳,且增強的結(jié)晶峰來自給體和受體。在藍色部分2處,相比于85℃熱退火10分鐘,160℃退火4h的全小分子混合薄膜也觀察到額外的BT-2F衍射峰,在2D GIWAXS圖案中可以清楚地看到兩個環(huán)形衍射峰(藍色部分4)(qxy = 0.31 Å-1和qxy = 0.42 Å-1),這意味著熱儲存會誘導小分子材料強的結(jié)晶,不利于器件的熱儲存。三元共混薄膜中,在160°C熱退火后小分子受體BTP-eC9的結(jié)晶明顯被抑制,這主要是由于第三組分的引入形成了纏繞結(jié)構(gòu)形態(tài),固化了活性層形貌,三元器件也展現(xiàn)出優(yōu)異的熱儲存穩(wěn)定性。

原標題:中科院寧波材料所實現(xiàn)高機械延展性柔性有機太陽能電池
 
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來源:科學網(wǎng)
 
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