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2021 Advanced Materials (IF 30.849):如何利用低成本策略改善非富勒烯有機太陽能電池

SS-X 太陽光模擬器使效率突破成為可能!
因精准才能頂尖!

  Advanced Materials (IF 30.849) 期刊在2021年10月刊登一項研究。由於有機太陽能電池(organic solar cell, OSC)有顏色可調、半透明和重量輕等優點,在可穿戴/便攜式電子產品和現代建築方面具有巨大的潛力。由共軛聚合物供體和非富勒烯小分子受體 (nonfullerene small molecule acceptor, NF-SMA) 組成的高性能OSC可以快速提升效率。儘管如此,許多聚合物供體擁有高剛度及非常脆的小分子受體的特性,這限制了它們在可穿戴設備中的應用。為提高NF-SMA聚合物的拉伸性和降低剛度,作者們成功在聚合物加入低成本的商業熱塑性彈性體聚苯乙烯嵌段 (乙烯-ran-丁烯) –嵌段聚苯乙烯 (SEBS)」以保持高效率。使用PM6:N3作為的系統,本研究徹底表徵了具有不同SEBS含量的聚合膜的機械性能、表面形態、體相結構、分子順序和光伏性能。

chemical structure thermoplastic elastomer SEBS organic solar cell

(a)本研究中使用的聚合物供體和不含富勒烯的小分子受體材料的分子結構。(b)純熱塑性彈性體薄膜的二維 GIWAXS 圖案。 插圖是熱塑性彈性體 SEBS 的化學結構。

  作者使用光焱科技太陽光模擬器、QE-R量子效率測量系統與其他儀器協助量測。結果發現,在得到的PM6:N3:SEBS共混薄膜中,COS隨著SEBS重量含量增加而逐漸增加,在一定應變 (30%) 拉伸下,其模量和裂紋尺寸單調遞減。另外添加少量SEBS可以改善面外π–π堆積和正面碎片,同時對PM6/N3相分離的影響很小。這種機械性能改進策略,在其他一些OSC混合系統中表現出出色的適用性,例如:PBQx-TF:eC9-2Cl和PBDB-T:ITIC。更重要的是,這種複雜的三元混合物的彈性模量可以很容易通過力學模型被預測。因此,加入熱塑性彈性體是一種可廣泛適用且具有成本效益的策略,可改善非富勒烯OSC及其他方面的機械性能。這種具有獨特化學結構的新興聚合物也值得進一步探索。

  量子效率測量系統除了用於鈣鈦礦太陽能電池的EQE (External Quantum Efficiency)光譜分析,同時對於太陽能電池在太陽光模擬器下的短路電流,也提供了Jsc (short-circuit current density)的比對,以證明實驗的真確性。同時光焱科技的太陽光模擬器KA-6000軟體,提供了短路電流對時間變化的監控,以證明鈣鈦礦太陽能電池的穩定!

PM6N3SEBS ternary blend films organic solar cell

(b)通過 FOE 方法測量的 PM6:N3:SEBS 三元共混薄膜的彈性模量。

density-voltage characteristic ternary OSC

(a)基於 PM6:N3:SEBS 混合物的三元 OSC 的常規配置。(b) 在基於 PM6:N3:SEBS 混合物的優化條件下,三元OSC的典型電流密度-電壓特性。

本文關鍵字:熱塑性彈性體、thermoplastic elastomer、有機太陽能電池、organic solar cell、太陽光模擬器、Solar Simulator、量子效率、Quantum Efficiency、Sun Simulator、Light Simulator

原文:https://doi.org/10.1002/adma.202106732

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