香港理工大学李刚教授AM：双受体协同调节给体聚集达成高效全聚合物太阳能电池

　　

　　

　　第一作者：马睿杰

　　通讯作者：李刚

　　通讯单位：香港理工大学

　　DOI: 10.1002/adma.202304632

　　1、研究背景

　　全聚合物太阳能电池（all-PSC）的光伏性能，也就是能量转换效率（PCE），通过聚合小分子受体（PSMA）的合成和相关器件工程的改进而得到提高，从而产生了操作和机械稳定的太阳能电池。利用新材料或已报道材料进行三元或多组分混合策略已成为提高有机太阳能电池的最有效方法，研究人员已经实现了各种超过18％效率的全PSC案例。目前对高效全PSC系统的工作机制还缺乏解释，全面揭示给体、受体和处理溶剂之间的相互作用对学术界和工业界的研究人员都非常重要。

　　除了小分子受体（SMA）材料外，新开发的聚合小分子受体（PSMA）具有比其他聚合物材料更强的聚集倾向，这表明给体聚合物可以通过相对较大的程度进行调节，以调节它们的预聚集行为。这种可能性表明，三元全聚合物太阳能电池系统，特别是具有两个聚合小分子受体的系统，可能提供与两个小分子受体混合物不同的新的物理见解。一旦三元基质的工作机制得到充分解释，将有可能缩小三元全聚合物太阳能电池系统与顶尖有机光伏（OPV）器件之间的效率差距。

　　2、研究成果

　　在这里，我们关注了三种材料和它们的三元混合物中的一个现象，即三种报道的高效有机光伏活性材料——PBQx-TCl作为给体，PY-IT和PY-IV作为受体，它们形成了三元系统。在该系统中，当PY-IT含量较高时，PBQx-TCl表现出强烈的H-聚集作用，当PY-IV占据受体部分时，表现出强烈的J-聚集作用。采用少量PY-IV的混合体系可以实现最佳的功率转换效率（PCE），在该体系中，H-聚集作用得到很好地保留，具有较高的开路电压（VOC）和红移吸收特性，以提高短路电流密度（JSC）。同时，高填充因子（FF）值是由于相分离、分子堆积特性和抑制复合动力学同时得到良好调控。此外，通过原位反射光谱追踪筛选了形貌确定过程（旋涂和热退火），有助于确定给体聚集性的可调性。与PY-IV相比，PY-IT延迟和减缓了PBQx-TCl聚集的第二阶段。然而，PY-IT的聚集也遵循与给体相同的规律。此外，热退火处理增强了PBQx-TCl的聚集，而不是受体的聚集，进一步证明了在此处调控形貌的基本因素是给体相结晶和形成。相反，通过最大功率点（MPP）跟踪实现的操作稳定性测试和热稳定性测试（在N2气氛中退火100℃）的结果表明，调控的形貌和期望的玻璃化转变温度（Tg）也有助于在不同的退化条件下改善寿命。通过最先进的光伏性能和对底层机制的阐明，本研究为未来使用all-PSC提供了改进的指导思想。

　　3、图文介绍

　　

　　图1. 活性层材料的分子结构式和基本光电，本征性能。

　　要点：

　　1、最优三元全聚合物体系达到18.81%的记录PCE，在拓宽EQE响应范围的同时，控制了体系的电压损失。

　　2、随着第二受体组分PY-IV含量的上升，给体聚合物PBQx-TCl对应的两个吸收峰发生强度对比逆转，意味着给体聚集行为的改变。

　　

　　图2. 激子动力学表征

　　

　　图3. 薄膜形貌表征

　　

　　图4. 薄膜形貌表征

　　

　　图5. 液固转相，薄膜成膜过错的原位反射表征

　　

　　图6. 器件的MPP稳定性，热稳定性，玻璃转化点温度测试。

　　4、小结

　　总结起来，结构相似的聚合物受体PY-IT和PY-IV对聚合物给体PBQx-TCl的聚集模式产生了不同的影响。利用两种聚合物受体和聚合物给体PBQx-TCl以不同的重量比进行各种组合，精细调控了薄膜的整体形貌，以追求更好的功率转换效率（PCE）和所需的稳定性。在适当添加PY-IV以扩展吸收边缘的情况下，相对较多的H-聚集PBQx-TCl被确认为有利于提高薄膜中的短路电流密度（JSC）和保持开路电压（VOC）。此外，纳米纤维网络中稍微增大的聚集体（高纯相尺寸）有助于增加填充因子（FF）。时间标度的原位反射特性表明，延长主溶剂蒸发过程可以增强PBQx-TCl的H-聚集体形成。优化的形貌也提高了三元体系的操作稳定性。确认了基于PY-IV的薄膜具有较低的玻璃化转变温度（Tg），这解释了富含PY-IV系统的热稳定性较差。本研究在阐明底层机制的同时，基于三元基质构建，呈现了具有良好稳定性的all-PSC的最高能量转换效率。

　　该工作得到四川大学程沛教授，香港理工大学李明杰教授，和香港科技大学广州校区吴佳莹教授的支持。

　　https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202304632

　　5、作者简介

　　李刚，李刚，香港理工大学电机与电子工程学系 讲席教授，鍾士元爵士可再生能源冠名教授。研究聚焦于可印刷太阳能电池（有机聚合物太阳能电池，钙钛矿太阳能电池）及相关领域。本科毕业于武汉大学空间物理学系，爱荷华州立大学凝聚态物理博士及电机工程硕士。2016年来港前为加州大学洛杉矶分校UCLA研究教授。李刚教授发表科技期刊论文200余篇，被引七万三千余次，H-因子84（谷歌学术）。他是美国光学学会会士（Optica Fellow）英国皇家化学会会士（RSC Fellow），国际光电工程学会会士（SPIE Fellow）香港研究资助局高级研究学者 (RGC SRFS)。自2014年至今为汤森路透/科睿唯安 全球高被引科学家（材料科学，化学，物理, 交叉领域）。

　　马睿杰，香港理工大学卓越博士后研究员。2014-2018年于浙江大学取得物理学学士学位，2018-2022年在香港科技大学攻读化学博士学位（导师：颜河教授）。2022年8月加入香港理工大学电机与电子工程学系李刚教授团队。主要从事第三代太阳能光伏器件的前沿科研。2018年入选香港政府研究生奖学金计划（HKPFS）。作为第一或通讯作者参与发表影响因子大于20的期刊论文28篇， 包括：Joule (2篇)，Adv. Mater (3 篇)，Energy. Environ. Sci (3篇)，Angewandte Chemie (1篇) Nati. Sci. Rev. (1篇)，Adv. Energy Mater (3篇)，ACS Energy. Lett (4篇)。谷歌学术数据库总引用次数超过5000次，H-因子 40。2022年入选科睿唯安数据库交叉领域“全球高被引科学家”。

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