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西安交大马伟教授课题组开发出同时提高聚合物太阳电池拉伸性能和转化效率的新策略
2020-01-20  来源:西安交通大学材料学院

柔性可穿戴器件以其轻质、可拉伸、灵活柔韧将对未来电子产业产生变革性影响。有机太阳能电池作为可穿戴器件能源供给的重要方式具有光明的发展前景。作为可穿戴电子设备使用的有机太阳能设备能够承受至少20~30%的拉伸应变。由于非富勒烯受体的快速发展,单节有机太阳能电池的效率已经突破了17%,为了进一步适应商业化的需求,如何在实现高效率的同时提高器件的拉伸性能对实现有机太阳能电池的商业化具有重要意义。

大量研究表明,活性层的微观形貌与器件拉伸性能和转化效率息息相关,精确的形貌控制可为协同优化有机太阳能电池的这些特性提供有效途径。然而,器件拉伸性能和转化效率之间往往存在着相互制约关系。例如,增加分子的有序度(结晶性)有利于提高器件效率,但同时这种刚性的分子网络结构对会降低器件的拉伸性能;大量非晶(无序)结构是激子分离的保证,但同时这些D/A界面不稳定,也会在外加应力下增加裂纹产生的可能。因此,如何通过形貌调控协同工艺优化同时实现器件拉伸性能和转化效率是当前研究的热点。


西安交通大学金属材料强度国家重点实验室马伟教授课题组在空气中采用顺序刮涂制备了基于PTB7-Th/FOIC体系的P-i-N(层状异质结)结构的有机太阳能电池。本文以形貌调控为主线,通过优化加工工艺,实现了拉伸性能和转化效率的同时提高。研究发现,与BHJ(本体异质结)的器件相比,他们通过顺序沉积给受体形成P-i-N结构的器件形成了梯度分布的给受体垂直相分离结构,提高了受体结晶,改善了电荷传输,获得了最高12.27%的光电转化效率(BHJ结构效率为11.01%)。同时,这种垂直相分离结构是一种热力学上更稳定的结构,使得器件的稳定性提高。更重要的是,P-i-N结构的拉伸性能相比BHJ结构得到了极大的提升。研究表明,在外界施加应力时,裂纹通常在D/A界面处产生,这是限制拉伸性能的主要因素。顺序沉积的梯度分布结构具有更合适D/A界面和更大相纯度,大大减少了裂纹产生的机率,使得P-i-N结构薄膜的拉伸应变提高6倍。另外,他们在受体FOIC中加入N2200,N2200会形成聚合物纤维的抑制分子的扩散,进一步提高P-i-N结构的相纯度,使得形貌更加稳定,有利于进一步提高P-i-N结构器件的拉伸性能和转化效率。这项工作对今后发展大面积柔性制备工艺具有重要的指导意义。

该成果发表在著名材料期刊《先进能源材料》Advanced Energy Materials (IF = 24.884)上,题目为顺序刮涂同时提高有机太阳能电池的器件性能,稳定性和力学性能(Sequential Blade Coated Acceptor and Donor Enables Simultaneous Enhancement of Efficiency, Stability and Mechanical Properties for Organic Solar Cells)。西安交通大学为该论文的唯一作者单位,马伟教授为通讯作者,博士生王艺林朱清廉为共同第一作者。

这项工作得到了科技部、国家自然科学基金委员会、交大基本科研业务费支持。

  论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201903609

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(责任编辑:xu)
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