導讀目錄
1. 有機光伏的研究進程與挑戰(zhàn)
2. 研究動機解析
3. 研究手法與表征設備的運用
4. 有機光伏的強力生力軍_DP3:L8-BO
有機光伏的研究進程與挑戰(zhàn)
近年來，有機光伏（OPV）因其低毒性、輕質(zhì)、柔性和大面積加工能力而備受關注，該技術取得了顯著進步，特別是在效率、穩(wěn)定性和成本方面，為單結(jié)器件帶來了積極變化。然而，有機光伏OPV材料在實際應用中仍面臨挑戰(zhàn)，尤其是溶液可加工性問題。武漢大學閔杰團隊于 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，其特點是包含富電子的苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩單元和兩個簡單的受體單元。DP3旨在增強分子間相互作用并優(yōu)化塊狀異質(zhì)結(jié)的微結(jié)構。DP3系統(tǒng)在功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）方面表現(xiàn)出色，最高可達19.12%，并且在不同條件下的器件效率均超過18%，展現(xiàn)了其在商業(yè)應用中的潛力。
研究動機解析
過去的十年中，窄帶隙小分子受體（SMAs）和聚合SMAs（PSMAs）的研究取得了長足進展，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應用還需要良好的長期穩(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10,000小時。隨著成本成為關注的焦點，研究者們開始合成簡單結(jié)構的PDs和非融合環(huán)SMAs，這些材料在設備性能方面顯示出良好前景。
盡管OPV技術在效率、穩(wěn)定性和成本方面取得了顯著進展，但解決方案可加工性仍是亟待解決的問題。工業(yè)應用需要一套完整的關鍵性能指標（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。我們的研究通過設計新型寬帶隙聚合物供體PDs，特別是DP3。
以下整理出研究團隊所面臨到的痛點說明本研究旨在解決:
解決方案可加工性（Solution Processability）: OPV材料在實際應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，研究需要開發(fā)出對這些變量不敏感的材料，以確保制程的一致性和可擴展性。
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步，但仍需進一步提升PCE以達到商業(yè)應用的要求。研究目標是開發(fā)出具有更高PCE的材料，以提高太陽能轉(zhuǎn)換的效率。
長期穩(wěn)定性（Long-term Stability）: OPV系統(tǒng)需要在長時間使用后仍能保持高效率。研究需要確保開發(fā)的材料具有良好的運行穩(wěn)定性，以延長設備的使用壽命。
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，以降低太陽能發(fā)電的整體成本。
環(huán)境影響（Environmental Impact）: 使用環(huán)保溶劑進行加工是OPV技術商業(yè)化的重要方面。研究需要開發(fā)出與非有害溶劑兼容的材料，以減少對環(huán)境的影響。
大面積模塊生產(chǎn)（Large-area Module Production）: 在從實驗室規(guī)模轉(zhuǎn)向大面積生產(chǎn)時，常常會遇到效率降低的問題。研究需要開發(fā)出能夠在縮放過程中保持高效率的材料，以實現(xiàn)商業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)。
研究手法與表征設備的運用
在研究過程中，研究者通過偶聯(lián)反應合成了DP1、DP2、DP3和DP4等聚合物給體材料。合成的聚合物材料經(jīng)過一系列表征技術，如: 核磁共振（NMR）光譜、紫外-可見吸收光譜（UV-vis）、循環(huán)伏安法（CV）等設備進行分析，以確定其化學結(jié)構和物理性質(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，如Grazing incidence wide-angle X-ray scattering（GIWAXS）提供了有關材料在薄膜狀態(tài)下的微觀結(jié)構信息，對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. 太陽能電池裝置制備與測試：
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，組裝成完整的太陽能電池裝置。
o 在標準測試條件下（AM 1.5G，100 mW/cm2）使用太陽能仿真器進行光電流密度-電壓（J-V）測量，以評估太陽能電池的性能參數(shù)，如開路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）、填充因子（FF）和功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）。
2. 進行外量子效率（EQE）測量，以評估太陽能電池在不同波長下的光電轉(zhuǎn)換效率。
此表征量測采用光焱科技之 QE-R外量子效率量測解決方案，有效為研究提供了精準的數(shù)據(jù)外，也因為配置了光焱科技所研發(fā)的軟件，進行量測前的設定后，再更有效率地進行多項器件的量測。
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實時影像，觀測光斑的精確位置，并且在數(shù)秒內(nèi)完成精確對位。
3. 穩(wěn)定性測試：
o 在特定的環(huán)境條件下（如溫度、濕度、光照等）對太陽能電池進行長期穩(wěn)定性測試，以評估其壽命和性能衰退。
此表征量測采用光焱科技之SS-X160R AM1.5G太陽光仿真器，為邁向大光斑研究的走向，提供了一套完整的解決方案。光焱科技的設備制造過程受ISO17025之嚴格把關，致力提供讓研究人員精準且快速量測的表征設備。
SS-X系列新研發(fā)EDGS塵護盾，為多數(shù)課題組帶來了設備維護新觀點。
4. 理論計算與模擬：
o 可能使用量子化學計算或分子動力學仿真來預測材料的電子結(jié)構、能級對齊和分子間相互作用。
5. 數(shù)據(jù)分析與比較：
o 對不同條件下的測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，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行對比分析，以評估新材料的優(yōu)勢和潛力。
有機光伏的強力生力軍_DP3:L8-BO
研究人員成功開發(fā)了具有簡單受體單元的聚合物供體DP1和DP3。與模板DP1相比，隨機共聚物DP3在溶液和薄膜狀態(tài)下表現(xiàn)出更強的聚集性，更合適的物理動態(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18%的效率。
3. 制備了小面積（0.029 cm2）和大面積（15.40 cm2）的太陽能模塊，并測得其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)定性測試中，DP3系統(tǒng)表現(xiàn)出穩(wěn)定性，經(jīng)過200小時連續(xù)光照后仍能保持86.13%的初始PCE
由本研究的發(fā)表可得知研究團隊嘗試以創(chuàng)新的材料進行有機光伏器見的優(yōu)化，并在上述各項的論證結(jié)果當中，進一步證明了DP3材料的廣泛應用潛力外，亦展現(xiàn)了其在工業(yè)生產(chǎn)中的強大潛力，為下一代OPV材料的開發(fā)和評估提供了重要的參考，并為實現(xiàn)工業(yè)化目標奠定了堅實的基礎。
推薦產(chǎn)品
1. SS-X系列
2. QE-R系列
文獻參考自Adv. Mater.2024_ DOI: 10.1002/adma.202406329
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