【儀表網(wǎng) 產(chǎn)業(yè)報道】有機太陽能電池(OSCs)作為新一代光伏技術(shù)，因其獨特的輕薄柔韌特性而備受關(guān)注。其中，全聚合物太陽能電池(all-PSCs)因聚合物材料固有的機械柔韌性和長期穩(wěn)定性潛力，成為研究的熱點。然而，當(dāng)前聚合物受體的研究面臨著諸多挑戰(zhàn)，尤其是主流的Y系列聚合物受體由于其單體分子構(gòu)型的特殊性，在聚合位點的空間產(chǎn)生鈍化效應(yīng)，導(dǎo)致受體分子量普遍較低(數(shù)均分子量Mn一般在10 kDa左右，相當(dāng)于4-5個重復(fù)單元)。低聚合度嚴(yán)重削弱了分子間的物理纏結(jié)能力，降低了薄膜形態(tài)的穩(wěn)定性以及機械柔韌性；同時，分子堆積無序性較高，也削弱了電荷產(chǎn)生、傳輸及器件效率，造成明顯的批次差異。
 

　　近年來，盡管國內(nèi)外研究人員通過分子設(shè)計和器件工程取得了一定進(jìn)展，但本質(zhì)問題仍未得到解決。在此背景下，青島能源所先進(jìn)有機功能材料與器件研究組積極探索新型類聚合物-寡聚體材料開發(fā)。寡聚體兼具小分子的結(jié)構(gòu)確定性和聚合物的長程有序特性，有望規(guī)避聚合物受體所面臨的效率和穩(wěn)定性問題。基于此思路，研究團(tuán)隊開發(fā)了一種S構(gòu)型四聚體分子4Y-BO，其與聚合物受體PY-BO具有相同的分子骨架及相近的分子量(圖1)。通過GIWAXS研究證實，4Y-BO薄膜具有更加緊密有序的分子堆積，結(jié)晶性和載流子特性得到顯著提升。同時，四聚體分子與聚合物給體之間具有相對更強的相互作用，異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出高度有序的纖維狀微晶結(jié)構(gòu)，為高效的電荷產(chǎn)生、傳輸和穩(wěn)定活性層形貌奠定了基礎(chǔ)。
 

　　在具體應(yīng)用方面，以PM6為給體，基于四聚受體4Y-BO的二元有機光伏電池實現(xiàn)了高達(dá)19.75%的優(yōu)異性能(認(rèn)證效率19.58%，寡聚受體的最高記錄)，且批次間差異顯著小于基于聚合物受體的器件(15.66%)。
 

　　更為重要的是，四聚體4Y-BO的光伏器件在穩(wěn)定性方面實現(xiàn)全方位提高：熱穩(wěn)定性方面，其高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg=134°C)抑制了分子蠕變行為及擴散，在80°C加速老化實驗中，PM6:4Y-BO器件的T80%壽命為2125小時，是PM6:PY-BO(512小時)的4.1倍；光穩(wěn)定性方面，AM 1.5G持續(xù)光照150小時后，器件效率保持率近93%(PM6:PY-BO為83%)；機械穩(wěn)定性方面，PM6:4Y-BO共混膜的彈性模量(232 MPa)和彈性變形能力(6.22%)均優(yōu)于PY-BO(221 MPa，5.35%)，柔性電池經(jīng)1000次彎曲(彎折半徑5 mm)后效率保持91%，展現(xiàn)出更快的彎折回彈性能。這種“剛?cè)岵?rdquo;的特性使其成為可穿戴光伏器件的理想候選材料。這些研究結(jié)果證明，S構(gòu)型四聚體在效率、穩(wěn)定性和機械柔韌性方面的巨大潛力，且為柔性有機光伏的進(jìn)一步研究提供了重要參考。
 

圖1 聚合物受體與S構(gòu)型四聚體性能比較
 

　　該工作以 “Polymer-like tetramer acceptor enables stable and 19.75% efficiency binary organic solar cells” 為題發(fā)表在國際期刊Nature Communications上。論文第一作者為王劍曉博士、孫成博士，通訊作者為包西昌研究員、李永海副研究員，并得到了褚君浩院士的悉心指導(dǎo)。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青促會項目、山東能源研究院專項基金、“強基”計劃、中國博士后科學(xué)基金以及山東省博士后創(chuàng)新人才支持計劃等項目的資助。