AM.武漢大學閔傑團隊：實現OPV19.12%高效率-新型有機光電材料DP3：L8-BO

2024-08-16

導讀目錄

有機光電的研究進程與挑戰
研究動機解析
研究手法與表徵設備的運用
有机光伏的强力生力军_DP3:L8-BO

有機光電的研究進程與挑戰

近年來，有機光伏（OPV）因其低毒性、輕質、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、穩定性和成本方面，為單結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，尤其是溶液可加工性問題。武漢大學閔傑團隊於
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並[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並優化塊狀異質結的微結構。 DP3系統在功率轉換效率（PCE）方面表現出色，最高可達19.12%，並且在不同條件下的器件效率均超過18%，展現了其在商業應用中的潛力。

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，這些材料與寬頻隙聚合物供體（PDs）相匹配，提高了短路電流密度和填充因數，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%的新水準。除了高效率，OPV應用還需要良好的長期穩定性，目前已有一些系統如PY-IT、PY2F-T和OY3等展現出卓越的穩定性，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構的PDs和非融合環SMAs，這些材料在設備性能方面顯示出良好前景。

儘管OPV技術在效率、穩定性和成本方面取得了顯著進步，但解決方案可加工性仍是亟待解決的問題。工業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、與環保溶劑的相容性、高速加工能力和克服縮放滯後的能力。目前，只有少數系統在這些方面表現出色。我們的研究通過設計新型寬頻隙聚合物供體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、混合厚度和塗布速度）保持高效率。因此，研究需要開發出對這些變數不敏感的材料，以確保製程的一致性和可擴充性。
功率轉換效率（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以達到商業應用的要求。研究目標是開發出具有更高PCE的材料，以提高太陽能轉換的效率。
長期穩定性（Long-term Stability）:
OPV系統需要在長時間使用后仍能保持高效率。研究需要確保開發的材料具有良好的運行穩定性，以延長設備的使用壽命。
成本（Cost）:
OPV材料的成本是商業化的重要因素。研究需要合成成本效益高的材料，以降低太陽能發電的整體成本。
環境影響（Environmental Impact）:
使用環保溶劑進行加工是OPV技術商業化的重要方面。研究需要開發出與非有害溶劑相容的材料，以減少對環境的影響。
大面積模組生產（Large-area Module Production）:
在從實驗室規模轉向大面積生產時，常常會遇到效率降低的問題。研究需要開發出能夠在縮放過程中保持高效率的材料，以實現商業規模的生產。

研究手法與表徵設備的運用

在研究过程中，研究者通过偶联反应合成了DP1、DP2、DP3和DP4等聚合物给体材料。合成的聚合物材料经过一系列表征技术，如:
核磁共振（NMR）光谱、紫外-可见吸收光谱（UV-vis）、循环伏安法（CV）等设备进行分析，以确定其化学结构和物理性质。

薄膜製備與表徵的階段，則使用旋轉塗覆、刮刀塗覆或印刷技術製備活性層薄膜。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下的微觀結構資訊，對於理解材料的電荷傳輸特性和光伏性能非常重要。

另外接續，

太陽能電池裝置製備與測試：
- 將製備的活性層薄膜與其他層（如電子/空穴傳輸層、電極等）結合，組裝成完整的太陽能電池裝置。
- 在標準測試條件下（AM 1.5G，100
  mW/cm²）使用太陽能模擬器進行光電流密度-電壓（J-V）測量，以評估太陽能電池的性能參數，如開路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）、填充因數（FF）和功率轉換效率（PCE）。
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換效率。
- 此表徵量測採用光焱科技之 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據外，也因為配置了光焱科技所研發的軟體，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，操作人員能夠在螢幕上透過即時影像，觀測光斑的精確位置，並且在數秒內完成精確對位。
穩定性測試：
- 在特定的環境條件下（如溫度、濕度、光照等）對太陽能電池進行長期穩定性測試，以評估其壽命和性能衰退。
- 此表徵量測採用光焱科技之SS-X160R AM1.5G太陽光模擬器，為邁向大光斑研究的走向，提供了一套完整的解決方案。光焱科技的設備製造過程受ISO17025之嚴格把關，致力提供讓研究人員精準且快速量測的表徵設備。
- SS-X系列新研發EDGS塵護盾，為多數團隊帶來了設備維護新觀點。
理論計算與類比：
- 可能使用量子化學計算或分子動力學類比來預測材料的電子結構、能級對齊和分子間相互作用。
資料分析與比較：
- 對不同條件下的測試數據進行統計分析，如不同分子量、薄膜厚度和塗布速度下的性能比較。
- 與其他已知材料的性能進行對比分析，以評估新材料的優勢和潛力。