天津大学叶龙教授 & 中国科大焦学琛研究员团队：热稳定且效率超过10 %的聚(3-己基噻吩)太阳能电池

Keywords:

multi-technique approach

organic solar cells

phase separation

polythiophene

thermal stability

文章简介：

发展低成本高效率有机太阳能电池（OSCs）是实现“碳达峰，碳中和”、着力解决资源环境问题的有效途径。近年来研究人员通过分子结构设计在OSCs器件性能方面取得了系列进展。然而，为了促进其商业化应用，需综合考虑OSCs的生产成本和稳定性。相较于目前高性能的聚合物光伏材料，聚噻吩及其衍生物具有极低的合成复杂性和成本，在商业化应用中具有显著优势。然而，聚噻吩与非富勒烯的共混体系通常具有良好结晶性，其相分离结构复杂且难以调控，限制了其光电性能及热稳定性的进一步提升。因此，建立该类材料体系的匹配准则，合理优化器件性能及热稳定性，对聚噻吩有机太阳能电池的发展至关重要。

针对以上问题，天津大学叶龙教授和中国科学技术大学焦学琛研究员展开了密切合作，有效结合了吸收光谱、量热、掠入射X-射线散射、原子力显微镜和透射电子显微镜等多项技术对基于P3HT和代表性的非富勒烯受体（ITIC, IDTBR, Y6和ZY-4Cl）共混体系的热力学性质、分子堆积和相分离结构进行了深入研究（图1），进而阐明了该类高性价比的共混体系器件性能及热稳定性差异的原因，并提出了高效稳定体系的分子匹配规则。

图1. 多种表征技术揭示P3HT:非富勒烯受体(NFA)共混体系的器件性能及热稳定性差异。

为揭示4种P3HT:NFA体系热稳定性差异的来源，该团队采用GIWAXS及TEM技术定量对比了相对结晶度（rDoC）及共混膜相区特征尺寸随退火时间的变化（图2）。P3HT:ITIC和P3HT:Y6共混薄膜中P3HT的（010）和（100）衍射峰的rDoC（图2D-E）及共混膜的相区特征尺寸（图2F）在热应力作用下逐渐增加，说明退火过程中不稳定的P3HT生长成微米级的晶体，进而导致JSC和PCE的衰减。相比之下，P3HT:IDTBR和P3HT:ZY-4Cl共混膜中P3HT的rDoC及相区特征尺寸变化较小，表明其在纳米到微米尺度的形貌更加稳定。

图3. 热力学与光谱分析揭示四种共混体系性能及热稳定性差异的本质原因。

基于该项研究，结晶性P3HT:NFA共混体系的匹配规则总结如下：共混体系中的弱玻璃化效应和较低的相容性有利于实现高器件性能；协同控制非富勒烯受体的扩散限制结晶过程和半结晶性聚合物给体链段的适当运动可以获得良好的形貌稳定性。基于这一规则，P3HT:IDTBR体系的效率和稳定性也得到了有效提升。该工作明确了分子结构、相分离结构与光伏性能及热稳定性之间的关系，所建立的分子匹配规则有助于减少对试错法的依赖，为设计和优化热稳定、廉价且高效的有机太阳能电池提供了指导规律。

以上研究论文以“Thermally Stable Poly(3-hexylthiophene):Nonfullerene Solar Cells with Efficiency Breaking 10%”为题发表于Aggregate 期刊，论文第一作者为天津大学博士研究生高梦圆，通讯作者为天津大学材料科学与工程学院的叶龙教授和中国科学技术大学国家同步辐射实验室的焦学琛研究员。该研究得到了国家自然科学基金面上项目（No. 52073207）、天津大学北洋学者英才计划以及天津大学研究生教育专项基金重点项目（No. C1-2021-008）的资助。同步辐射表征测试得到了上海同步辐射光源和北京同步辐射装置的大力支持。

通讯作者

叶龙，天津大学英才教授、博士生导师，入选北洋学者英才计划（2019）和国家级青年人才计划（2020）。2015年在中科院化学所获理学博士学位，2015年-2019年在美国北卡罗来纳州立大学物理系先后做博士后和研究助理教授，2019年10月加入天津大学材料学院先进高分子研究所工作，主要从事光电高分子材料的薄膜聚集态结构表征与解析、有机光电共混体系的相容性表征与调控等方面的研究。迄今已发表论文100余篇，作为第一作者/通讯作者在Nat. Mater, Joule, Matter, Adv. Mater., Mater. Today, Acc. Chem. Res., Angew. Chem. Int. Ed., Sci. China Chem., Aggregate等国际著名期刊发表论文70余篇，发表论文被国内外同行引用14000余次，H-因子为61，2019-2021连续三年入选科睿唯安“全球高被引科学家”。

焦学琛，中国科学技术大学国家同步辐射实验室研究员、博士生导师，合肥先进光源（HALF）散射系统负责人。2016年底在美国北卡罗来纳州立大学物理系取得博士学位，2017 年获得澳大利亚原子能组织（ANSTO）和莫纳什大学的联合资助，作为博士后在Australian Synchrotron开展研究，因积极推广同步辐射在高分子科学中的应用获得ANSTO颁发的最佳博士后合作奖（2019）、最佳博士后发表奖（2020）和论文高被引奖（2020）。2020 年9月加入中国科学技术大学以来主持国家同步辐射实验室合肥先进光源预研项目“软韧X 射线共振散射线站”和安徽省百人计划青年项目。目前主要从事同步辐射散射技术的研发与应用

扫码阅读原文：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi.org/10.1002/agt2.190?utm_medium=display&utm_source=xmol&utm_campaign=R243R5C&utm_content=DA35_Xmol_Journal_article_campaign_RM-CHINA_AGT_R243R5C_display_agt2.190

《聚集体（英文）》（Aggregate）创刊于2020年，是由华南理工大学、广东省大湾区华南理工大学聚集诱导发光高等研究院、Wiley 出版社三方合作创办的开放获取式英文学术期刊（双月刊）。本刊致力于报道出版“聚集”过程中的基础和应用研究的前沿科学，特别是功能材料、化学、物理、生物技术、生命科学以及应用工程等领域的重要进展，为学术界搭建一个交流思想和意见的新平台，去分享聚集体研究的新发现和新突破，讨论聚集体研究的挑战和机遇。期刊于2023年获得首个影响因子18.8，JCI指数1.47，先后收录于DOAJ、ESCI、CAS等数据库。