有機太陽能電池熱穩定性差?來點聚合物受體試試!

2020-11-25 北極星太陽能光伏網

北極星太陽能光伏網訊:溶液處理的有機太陽能電池（OSC）由於其質輕、柔性好、色彩豐富且易於製造等優點而備受關注，特別是近年來非富勒烯受體材料（NFA）已成功應用於高性能OSC，在提高電池效率方面取得了巨大成就，功率轉換效率（PCE）超過17％。

（來源：微信公眾號「高分子科學前沿」ID：Polymer-science）

然而，溶液處理OSC的商業化受到其固有的熱穩定性低的限制，由於這些在標準條件下運行的設備會受到長期陽光照射而產生明顯加熱，因此太陽能電池板的實際工作溫度可能高達50至70℃，某些地區甚至達到100℃，因此，亟需找到有效的方法和策略來提高太陽能電池的熱穩定性，以滿足實際戶外應用的需求。

近期，武漢大學的閔傑研究員設計併合成了新的非富勒烯受體BTTT-2Cl，並報告了一種熱穩定的本體異質結光伏系統。通過在PM6：BTTT-2Cl活性層中添加光伏聚合物受體PZ1進行進一步改進，結果顯示出15.10％的高轉換效率，並極大地提高了熱穩定性，這種聚合物摻雜共混物顯示出超長的使用壽命，在150℃的加速老化試驗中超過800h仍然保持極高的效率；進一步的降解行為分析表明該系統在外太空應用中具有廣闊的前景；並通過在其他光伏系統中使用聚合物受體作為雙功能添加劑，證實了這種聚合物摻雜策略的通用性。

材料結構和特性

圖1a顯示了研究人員合成的NFA材料BTTT-2Cl、受體添加劑PZ1及聚合物供體PM6的化學結構；從圖1b的紫外光譜可以看出，PM6：BTTT-2Cl共混物的吸收最大值出現藍移，添加1 wt％PZ1使峰強度明顯增加，並出現輕微的紅移，表明納米級域中分子的有序排列和π-π相互作用的不斷增加。

圖1c的能級結果表明，PM6：BTTT-2Cl的結合有利於BHJ共混體系中激子的解離，PM6：BTTT-2Cl共混物的光致發光強度隨著PZ1的加入而增大，表明PM6與BTTT-2Cl之間的界面面積減小了。通過AFM和2D-GIWAXS觀察到了這種變化的混合物形態，結果如圖1d所示，摻有1 wt％PZ1的混合物顯示出更大的相互連接區域。

圖1.材料的化學結構及表徵

OSC的熱穩定性

研究人員用常規結構製造光伏器件，並分別在110°C和150°C溫度下對PM6：BTTT-2Cl共混物進行熱穩定性測試。

結果如圖2a所示，在150℃持續加熱24h和110℃持續加熱120h後，未摻雜PZ1的效率分別損失了52％和65％；而相同條件下摻雜1 w％PZ1的共混物表現出優異的熱穩定性，在110°C和150°C加熱800h後僅表現出5％和12％的效率損失。此外，圖2b顯示添加不同重量比PZ1在48h之後，系統的PCE均保持在88-97％。這些結果均表明摻雜PZ1的PM6：BTTT-2Cl在高溫下具有超高的熱穩定性。

圖2.OSC的熱穩定性測試

模擬OSC在外太空中的應用

隨後，研究人員進一步評估了PZ1摻雜的PM6:BTTT-2Cl在模擬月球、近地軌道衛星和火星空間環境的長期熱循環穩定性。結果如圖3所示，經多次熱循環後，設備的功率轉換效率的始終保持在90％以上，摻PZ1的共混物在短時間的熱循環內沒有明顯的降解行為。表明PZ1摻雜的PM6：BTTT-2Cl光伏系統具有在極端環境下以及溫度交替變化的惡劣條件下應用的潛力。

圖3.光伏器件的熱循環穩定性和理論效率

PZ1摻雜策略的通用性

最後，研究人員研究了PZ1摻雜於圖4a所示的其他四個光伏系統的熱穩定性，用於證明該摻雜策略的通用性。

結果如圖4b所示，在150°C下加熱48h後，添加不同含量PZ1的四個系統均顯示出改善的熱穩定性能，尤其是添加質量比1%的PZ1時PCE下降幅度最小。表明PZ1的添加改善了這些非富勒烯和富勒烯基共混物的熱穩定性，進一步證明了這種PZ1摻雜策略的良好通用性。

圖4.光伏系統的化學結構和熱穩定性測試

在本篇文章中，研究人員開發了一種PZ1摻雜的PM6：BTTT-2Cl光伏系統，該系統具有良好的轉換效率和出色的熱穩定性，具有在室外和太空中廣泛應用的潛力。這項工作為太陽能電池的工業應用領域提供了一種聚合物摻雜策略，以開發高效且熱穩定的有機光伏系統。我們相信，這項技術將來可用於改善OSC的光伏性能並促進其商業應用。


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