武漢大學(xué)閔杰課題組實現(xiàn)良好戶外穩(wěn)定性的高性能全聚合物太陽能電池

　　近日，Energy & Environmental Science以研究性論文(Research Article)的形式在線發(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太陽能電池方面取得的新進展。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)實現(xiàn)具有19.46%效率和良好戶外穩(wěn)定性的全聚合物有機太陽能電池》)。高等研究院2024級碩士研究生吳小黑和2022級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、半透明等獨特優(yōu)勢，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。多組分策略是有機太陽能電池常用的實現(xiàn)高性能的策略之一，通過不同材料之間互補吸收和形貌改善，通?？梢赃_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，以實現(xiàn)更有利的載流子動力學(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光伏活性層制備工藝，不僅可以實現(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)，并且可以實現(xiàn)活性層的高速、可擴展、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接工業(yè)化生產(chǎn)場景方面的巨大優(yōu)勢。
 

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)，以及戶外運行穩(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吸收帶來的短路電流增益，同時又合理控制了聚合物給受體材料的混溶尺度和相分布，從而實現(xiàn)了能量無序和載流子復(fù)合的抑制，最終在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下取得了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)戶外工況條件下(根據(jù)ISOS-O2標(biāo)準(zhǔn))對器件的穩(wěn)定性進行監(jiān)測，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外穩(wěn)定性，這與在實驗室環(huán)境中測得的熱穩(wěn)定性和最大功率輸出點追蹤-運行穩(wěn)定性結(jié)果一致。這項研究通過多種形貌表征、器件物理表征和穩(wěn)定性測試分析，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。
 

　　該研究得到了國家自然科學(xué)基金和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費的資助并獲得江漢大學(xué)肖標(biāo)副教授、德國埃爾朗根-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試表征方面的幫助。武漢大學(xué)科研公共服務(wù)條件平臺為此項工作的開展提供了有力的支撐。