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中外科学家合作实现环境友好溶剂制备高性能有机太阳能电池组件 |
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2021年11月1日，苏州大学李永舫院士研究团队的李耀文教授等人与瑞典林雪平大学高峰教授团队合作在nature energy上发表了题为“a guest-assisted molecular-organization approach for >17% efficiency organic solar cells using environmentally friendly solvents”的研究型论文。
研究团队提出了有机太阳能电池活性层的主客体材料设计策略，实现了溶液印刷过程中活性层主体组分在相容性、溶解性、宏观和微观尺度组装行为的有效调控，突破了从低沸点溶剂到高沸点溶剂、卤化溶剂到非卤溶剂转换过程中电池效率损失的局限性，制备了高效大面积有机太阳能电池组件。
论文通讯作者是高峰、李耀文；第一作者是陈海阳、张睿。
近年来，可溶液印刷有机太阳能电池由于具有轻质、柔性、结构简单、高通量制备等优点，在便携式能源、光伏建筑一体化展现了巨大的应用前景，有望突破晶硅电池在应用场景方面的局限性，成为一种颠覆性光伏技术。目前，有机太阳能电池认证效率（pce）已经突破18%。然而，通过溶液印刷方法获得高质量有机活性层仍需严苛的制备条件，如溶剂选择窗口窄，需要借助高挥发性、高毒性的氯仿溶剂，以及普遍采用高能耗的热退火工艺等，这些条件严重制约了有机太阳能电池的产业化进程。
近日，苏州大学李永舫院士研究团队的李耀文教授与瑞典林雪平大学高峰教授团队合作提出了有机太阳能电池活性层的主客体材料设计策略，实现了溶液印刷过程中活性层主体组分在相容性、溶解性、宏观和微观尺度组装行为的有效调控，突破了从低沸点溶剂到高沸点溶剂、卤化溶剂到非卤溶剂转换过程中电池效率损失的局限性。合作团队利用二维核磁从分子层面证明了主客体之间诱导效应驱动力来源于y6的脂肪取代基（-c11h23）和bto芳香端基的相互作用，并通过原位紫外吸收证明了客体分子bto能有效延长主体材料y6的分子组装过程，为明确相关机理提供了重要数据支撑。
图1：bto和y6结构性质、分子堆积研究。
表1：不同溶剂中y6，bto和y6:bto（100:20, wt%）溶解度。
表2：不同溶剂中y6，bto和pm6表面能。
首先，研究人员将受体y6分子中的异辛烷侧链替换成低聚乙二醇（oeg）侧链设计合成了客体分子bto。研究发现，柔性oeg侧链的引入，不仅可以提高bto分子在不同极性溶剂中的溶解度，当与y6混合时，还能通过分子间作用力提高y6分子的溶解度；同时oeg侧链的高极性能有效调节bto分子表面能，进而能有效调节与活性层主体材料的相容性；此外，oeg侧链的自主装特性不但可以增强bto分子的自身结晶度，还能诱导y6分子在成膜过程中形成更有序的分子堆积。
图2：给受体混合膜结晶性、y6和bto分子间相互作用力研究。
给受体混合膜的giwaxs结果显示，bto对y6组装的诱导效应在主客体活性层（含给体材料）中依然存在；二维核磁则证明其诱导效应驱动力来源于y6的脂肪取代基（-c11h23）和bto芳香端基的相互作用；原位紫外吸收的测试结果表明，在此相互作用力之下，bto有效延长了y6分子在高沸点溶剂中的组装时间，提高了活性层的结晶度。
图3：高沸点溶剂中，bto诱导y6组装的示意图。
基于以上实验结果，相关机理被明确：在高沸点的溶液中，bto作为中间体，通过提高y6的溶解度和增强给受体相容性而抑制过度聚集。在结晶过程中，bto对y6的诱导作用为y6分子组装提供了充足的时间，最终获得取向规整、高结晶度的活性层薄膜。
图4：小面积有机太阳能电池性能参数。
图5：小面积有机太阳能电池效率认证报告。
基于该策略，研究人员在环境友好溶剂中制备了世界领先效率的小面积（认证效率pce=17.48%，0.062 cm2）单节有机太阳能电池，相关性能在权威机构（中国科学院上海微系统与信息技术研究所（simit））得到认证。此外，得益于主客体分子间较强的分子间作用力，活性层形貌稳定性大幅度提升，器件工作稳定性显著提高。
图6：环境友好溶剂加工的大面积模组制备及性能参数。
研究人员还发现高沸点、环境友好溶剂可以有效改善刮涂法制备的大面积活性层薄膜（10 cm x 10 cm）的均一性和聚集度，在无需退火条件下，大面积电池组件效率达到14.26%（有效面积36 cm2）。该工作解决了可溶液印刷有机太阳能电池在大面积模组制备过程中的多个瓶颈性问题，将加速推动有机太阳能电池的产业化进程。（来源：科学网）
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