發布時間：2023年4月19日
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全聚合物太陽能電池（APSC）具有優異的光/熱穩定性及柔韌拉伸性能，被認為是柔性電源系統中最有潛力的應用之一。得益于非富勒烯受體材料的快速發展，高性能聚小分子受體被不斷開發。相比而言，高性能聚合物給體的發展相對滯后。如何設計合成新型聚合物給體材料，并調控給/受體分子間堆積和取向，闡明給/受體分子間相互作用與光伏性能之間的關系，將有力助推高效全聚有機太陽能電池的發展。
近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員包西昌帶領的先進有機功能材料與器件研究組在該領域取得重要進展。研究通過降低給體材料主骨架之間的電荷轉移態和醌類共振效應，設計合成全新的超寬帶隙（Eopt = 2.24 eV）聚合物給體材料（圖1）。該材料具有較高消光系數且吸收光譜完美覆蓋最強太陽輻射范圍，并與受體材料具有良好的混溶性和較強的分子間相互作用。該工作獲得了效率為15.3%和17.1%的兩組分和三組分APSC（與當下經典給體材料相媲美）。該研究為全聚有機太陽能電池給體材料的發展提供了新穎的設計理念和材料結構。相關成果發表在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上。
此外，共軛聚合物之間的強鏈間纏結易形成較差的相分離、低混合熵，難以調控活性層的結晶和形貌，進而限制光伏性能的提升。對此，科研人員開發的具有良好混溶性的聚合物給體，可以有效滲透到給/受體（D/A）聚集域中，優化了全聚合物活性層內的分子堆積和相分離，實現了激子和載流子的高效利用（圖2）。具有體異質結（BHJ）結構的三元APSC實現了17.64%的效率和高的厚膜耐受性。第三組分滲透可有效地促進更多混合相的形成，并獨立地優化D/A有序堆積，在構建理想偽平面異質結（PPHJ）活性層方面顯示出獨特的優勢。具有PPHJ結構的三元APSC獲得了17.94%的效率并表現出優異的器件穩定性。利用良好混溶性第三組分獨立誘導D/A有序堆積，在構建高性能APSC方面頗具潛力。相關成果發表在《能源與環境科學》（Energy & Environmental Science）上。
研究工作得到國家自然科學基金、科技部國際合作項目和山東能源研究院專項資金等的支持。
2023-04-19 來源： 青島生物能源與過程研究所