Advanced Materials(IF32.086)香港理工大學李剛：更高效率與穩定性的全聚合物共混物三元基質中可調節的供體聚集優勢

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李剛團隊構建了以PBQx-TCl為電子給體、PY-IT和PY-IV為電子受體的三元全聚合物太陽能電池體系。
研究發現,PY-IT可以增強PBQx-TCl的H聚集行為,而引入少量PY-IV則可以抑制其過度聚集。
通過精細調控三種材料的配比比例,優化了PBQx-TCl聚合物的聚集性,從而實現了18.81%的高轉化效率以及器件穩定性的明顯提升。

研究背景

全聚合物太陽能電池以其低成本、高轉換效率等優點,被視為最有希望實現大規模商業化應用的太陽能電池種類之一。但要實現廣泛商業化,其光電轉換效率和長期穩定性仍有提升的空間。香港理工大學李剛教授團隊長期從事全聚合物太陽能電池材料和器件的研究,一直在探索提高轉換效率與穩定性的新方法。過去研究表明,在有機太陽能電池活性層中引入多種組分進行混合,是提高效率的重要途徑之一。特別是聚合性小分子受體材料具有較強的自組裝聚集趨勢,可以用來調控給體聚合物的聚集行為,這可能會對優化器件性能產生積極影響。李剛團隊的該項研究成果已於2023年7月7日發表在《Advanced Materials》期刊上,原文連結為https://doi.org/10.1002/adma.202304632。

研究成果

李剛團隊選用PBQx-TCl作為電子給體聚合物,PY-IT和PY-IV兩種結構相似的聚合小分子材料作為電子受體,構建了三元混合的全聚合物太陽能電池體系。實驗發現,在PY-IT含量較高時,PBQx-TCl呈現強烈的H聚集行為;當PY-IV含量較高時,PBQx-TCl則呈現J聚集行為。研究人員通過細微調變三種材料的配比,最終找到了1:1.2:0.2的優化質量比,該配比條件下,三元混合體系的太陽能電池實現了高達18.81%的創紀錄功率轉換效率。

研究團隊利用原位反射光譜、AFM、GIWAXS等多種先進角度追蹤了薄膜形貌的演化過程。結果顯示,PY-IT可以增強PBQx-TCl的緊密H聚集,而PY-IV的加入適度抑制了過度聚集,使PBQx-TCl保持最佳的聚集狀態。熱退火處理的效果主要體現在進一步增強PBQx-TCl的聚集,而非影響受體材料。引入PY-IV也可調節薄膜的相分離程度,控制玻璃化轉變溫度。綜合各種實驗結果,研究團隊歸納了增效機制:PY-IT保持PBQx-TCl的H聚集,PY-IV抑制過度聚集;熱處理優化給體聚集;引入PY-IV調控相分離和玻璃化轉變溫度。基於以上多重協同調控效應,修改后的三元體系在轉換效率和穩定性上均得到大幅提升。

研究方法

材料選擇與配比調控研究團隊在構建三元混合全聚合物太陽電池體系時,選擇了PBQx-TCl作為電子給體聚合物材料,PY-IT和PY-IV兩種結構相似的聚合小分子材料作為電子受體。為獲得最佳的效率,研究人員通過系統地調變三種材料的質量配比比例進行了多組實驗,測試了不同配比條件下的器件性能参数。經過反复對比分析,最终确定了PBQx-TCl:PY-IT:PY-IV = 1:1.2:0.2的优化質量比組成,該配比條件下的三元混合體系實現了18.81%的創紀錄功率轉換效率。
太陽電池器件的製備在三元混合全聚合物太陽電池的具體製備過程中,研究團隊採用了傳統的ITO/PEDOT:PSS/活性層/PFN-Br-MA/Ag串聯結構。首先進行ITO玻璃基板的清洗處理,去除有機污染物,然後在其表面旋塗PEDOT:PSS薄膜。接着利用旋塗法將三元混合的全聚合物材料活性層薄膜塗佈於PEDOT:PSS上,並進行熱退火處理,以優化薄膜的形貌和相分離程度。最後再旋塗PFN-Br-MA層,再通過溫度控制的真空溝道沉積銀電極。研究人員通過調節旋塗參數,優化了活性層的厚度,以實現最佳的光吸收效果。
器件的測試與表徵為了全面評估三元混合全聚合物太陽電池的光電轉換性能,研究團隊進行了一系列測試與表徵。在測試方面,他們測量了器件的開路電壓、短路電流、填充因子等關鍵參數,並構建了電流密度-電壓曲線,以計算功率轉換效率。在表徵方面,研究人員進行了外量子效率測試以及電致發光測試,以確定器件的光電轉換特性。這些測試為全面評價三元體系太陽電池的效率提升與增效機理提供了重要依據。在測試過程中,研究團隊使用了Enlitech公司最新研發的QE-R量子效率光學儀,以及SS-X系列AM1.5G標準光譜太陽光模擬器,以獲得更加準確和可重複的測試結果
薄膜形貌與結構測試研究團隊還利用原子力顯微鏡、GIWAXS等先進表徵技術考察了三元混合薄膜的形貌與結構信息。原子力顯微鏡描繪了薄膜表面形貌,GIWAXS則獲取了分子堆積結構参数。這些薄膜形貌與結構的信息,證明了PY-IT增強PBQx-TCl聚集、PY-IV抑制過度聚集的調控作用,也揭示了熱處理對給體聚集的影響。另外,X射線散射數據還提供了有關相分離程度的定量信息。綜合薄膜形貌與結構測試結果,驗證了三元混合體系中給體聚合物聚集行為調控的多種機制。
聚集性質與相互作用測試此外,研究團隊還通過紫外吸收光譜、光致發光光譜以及聚集指數分析等手段考察了給體與受體材料的聚集行為與相互作用。這些光譜測試結果揭示了PY-IT增強PBQx-TCl H聚集、PY-IV調節聚集的作用機制。通過差示掃描量熱法等熱分析技術,團隊確定了三元混合薄膜的玻璃化轉變溫度,測量到PY-IV的加入提高了該溫度。這些結果佐證了PY-IV調控相分離程度,提升熱穩定性的調控作用。
器件穩定性測試最後,為了驗證三元混合體系增強的器件穩定性,研究團隊還進行了光照和熱穩定性測試。他們通過最大功率點跟蹤法檢測了器件在室溫白光照射下的長時間工作穩定性。實驗表明,相比對照組,1:1.2:0.2三元混合體系的器件顯示出更好的光照穩定性。此外,團隊還進行了85°C高溫退火試驗,三元混合組的熱穩定性同樣優於對照組。這充分驗證了三元混合策略增強的器件穩定性。

結論

本研究結果顯示,結構相似的聚合物受體PY-IT和PY-IV對給體PBQx-TCl的聚集模式產生了不同影響。PY-IT可增強PBQx-TCl的H聚集,而PY-IV的引入適度抑制其過度聚集。研究團隊通過調控三者配比,優化了全聚合物混合薄膜的形貌,以實現更高的轉換效率和良好的穩定性。
具體而言,1:1.2:0.2三元混合體系的太陽能電池實現了18.81%的創紀錄功率轉換效率。這不僅是all-PSC體系迄今最高效率,也展現出良好的光熱穩定性。實驗結果顯示,相比二元體系,三元混合體系增強了操作穩定性。熱分析結果也揭示了PY-IV對熱穩定性的影響。
本研究闡明了聚合物受體協同調控給體聚集的新機制,為構建高效、高穩定全聚合物太陽能電池提供了重要思路。後續工作將在此基礎上,通過材料和界面優化,進一步提升轉換效率和器件壽命。相信這一策略不僅適用於全聚合物體系,也可推廣至其他類型的有機光伏器件。