【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，Energy & Environmental Science以研究性論文(Research Article)的形式在線(xiàn)發(fā)表武漢大學(xué)高等研究院教授閔杰課題組在高性能全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池方面取得的新進(jìn)展。論文題為“19.46%-Efficiency All-Polymer Organic Solar Cells with Excellent Outdoor Operational Stability Enabled by Active Layer Reconstruction”(《活性層重構(gòu)實(shí)現(xiàn)具有19.46%效率和良好戶(hù)外穩(wěn)定性的全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池》)。高等研究院2024級(jí)碩士研究生吳小黑和2022級(jí)碩士研究生肖博為論文共同第一作者，孫瑞副研究員和閔杰為論文通訊作者，高等研究院為第一署名單位/第一通訊單位。
 

　　有機(jī)光伏(OPV)作為一種高效清潔能源器件，具有成本低、重量輕、溶液可加工性、半透明等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在建筑集成光伏和柔性可穿戴器件等領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。多組分策略是有機(jī)太陽(yáng)能電池常用的實(shí)現(xiàn)高性能的策略之一，通過(guò)不同材料之間互補(bǔ)吸收和形貌改善，通?？梢赃_(dá)到更優(yōu)異的器件性能。但多組分系統(tǒng)的相分布和相分離尺寸需要得到有效的調(diào)控和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)更有利的載流子動(dòng)力學(xué)行為和薄膜形貌穩(wěn)定性。閔杰課題組率先發(fā)展了一種逐層涂覆(Layer-by-Layer，LbL)工藝以實(shí)現(xiàn)良好的準(zhǔn)平面結(jié)構(gòu)的活性層，并首次將其與刮涂工藝相結(jié)合，證明了LbL工藝作為一種通用的有機(jī)光伏活性層制備工藝，不僅可以實(shí)現(xiàn)小面積多組分器件的效率-穩(wěn)定性協(xié)同優(yōu)化(Joule, 2021, 5, 1548-1565；Adv Mater, 2022, 35, 2209350；Joule, 2023, 7, 221-237；)，還可以克服大面積模組的“尺度滯后”效應(yīng)(Joule, 2020, 4, 407-419)，并且可以實(shí)現(xiàn)活性層的高速、可擴(kuò)展、低成本印刷(Nature Energy, 2022, 7, 1087-1099)，這些研究凸顯了LbL刮涂工藝在調(diào)控活性層組分分布和對(duì)接工業(yè)化生產(chǎn)場(chǎng)景方面的巨大優(yōu)勢(shì)。
 

該研究的器件制備工藝、給受體組分相分布和器件J-V參數(shù)，以及戶(hù)外運(yùn)行穩(wěn)定性
 

　　基于此，該課題組提出了雙層刮涂制備四元全聚合物器件的策略。選用兩個(gè)帶隙相近但聚集特性不同的二元全聚合物體系，依次刮刀涂布結(jié)晶性更強(qiáng)的D18-Cl:PY-Cl亞層和結(jié)晶性稍弱的PM6:PY-SSe亞層得到具有類(lèi)似雙層結(jié)構(gòu)的四元全聚合物活性層，既利用了材料的互補(bǔ)吸收帶來(lái)的短路電流增益，同時(shí)又合理控制了聚合物給受體材料的混溶尺度和相分布，從而實(shí)現(xiàn)了能量無(wú)序和載流子復(fù)合的抑制，最終在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下取得了19.46%的能量轉(zhuǎn)換效率，該效率為全聚合物體系的最高效率。在武漢大學(xué)校園內(nèi)戶(hù)外工況條件下(根據(jù)ISOS-O2標(biāo)準(zhǔn))對(duì)器件的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研究結(jié)果表明，逐層刮涂的器件相比四元共混刮涂制備的器件具有顯著改善的器件戶(hù)外穩(wěn)定性，這與在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中測(cè)得的熱穩(wěn)定性和最大功率輸出點(diǎn)追蹤-運(yùn)行穩(wěn)定性結(jié)果一致。這項(xiàng)研究通過(guò)多種形貌表征、器件物理表征和穩(wěn)定性測(cè)試分析，關(guān)聯(lián)了聚合物材料聚集特征和器件的光電性能、穩(wěn)定性，提出了一種協(xié)同改善全聚合物多組分太陽(yáng)能電池效率和穩(wěn)定性的活性層制備思路。
 

　　該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)的資助并獲得江漢大學(xué)肖標(biāo)副教授、德國(guó)埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)Christoph J. Brabec教授、俄羅斯科學(xué)院Yuriy Luponosov教授、武漢大學(xué)張瑩博士等合作者在性能測(cè)試表征方面的幫助。武漢大學(xué)科研公共服務(wù)條件平臺(tái)為此項(xiàng)工作的開(kāi)展提供了有力的支撐。