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Nano Res.[能源]│贵州大学张斌课题组:供体和受体相的协同纤维化工程实现高效全聚合物太阳电池

本篇文章版权为张斌课题组所有,未经授权禁止转载。

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背景介绍


聚合物太阳电池(PSCs)作为一种新兴的光伏技术,因其成本低、重量轻、易功能化、可大规模溶液加工等优点,已成为学术界和商业上的研究热点。由于最近在材料开发和器件工程方面的巨大努力,PSCs的能量转换效率(PCE)已超过20%,这一成就为PSCs作为未来新型光伏技术的潜在商业化提供了令人印象深刻的启示。

在全聚合物太阳电池中,由于聚合物自身存在着一定的缺陷,比如骨架刚性和长聚合物链缠绕等,会导致聚合物在形成共混膜时出现不均匀性以及相分离不佳,这些负面影响会促使共混膜效果不理想,从而导致全聚合物太阳电池的性能及稳定性降低。因此,如何有效地调控全聚合物活性层形貌和分子堆砌对提高全聚合物太阳电池的性能起到关键性的作用。


成果简介


贵州大学张斌教授&吕梦岚教授与国家纳米科学中心丁黎明研究员协同合作在全聚合物太阳电池领域取得了创新性的成果。在这项研究中,以D18:PY-IT体系作为全聚合物太阳电池的活性层材料,通过1-氯萘(CN)添加剂策略制备了高效稳定的光伏器件,并深入探讨活性层成膜过程中的纤维化过程。由于CN添加剂的引入,D18:PY-IT共混膜的混乱度得到有效控制,微观的分子排列不再无序,从而形成优异的纳米级聚合物纤维相。示意图如下:

QQ20250415-162509.png


图文导读


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Figure 1 (a) Device structure of all-PSCs, (b) energy level diagram, (c) J–V curves, (d) EQE curves, (e) the literature comparison of PCE statistics for D18 (D18-Cl andPM6):PY-IT based binary BHJ all-PSCs, and the red star represents the photovoltaic performance of D18:PY-IT in this work, and (f) storage lifetimes of devices without encapsulation in N₂.


经CN添加剂处理的光伏器件,其能量转换效率(PCE)、外量子效率(EQE)以及稳定性获得明显的提升。其中,经过CN处理的光伏器件的PCE为17.31%,开路电压(VOC)为0.955 V,短路电流密度(JSC)为24.16 mA·cm−2,填充因子(FF)为74.99%;并且,T80稳定性更是延长至110天。

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Figure 2 (a) 2D GIWAXS patterns and 1D GIWAXS profiles for D18:PY-IT blend films. (b) PiFM images for D18:PY-IT blend films, where a wave number of 824 cm−1 represents D18 and 1423 cm−1 represents PY-IT.

通过掠入射广角X射线散射(GIWAXS)以及红外(IR)光诱导力显微镜(PiFM)的测试表征,清晰且直观地阐释了CN作为添加剂在D18:PY-IT共混膜结晶过程中的作用。相比于未加CN的共混薄膜,CN处理的共混膜的衍射峰强度明显增大,结晶性更好,呈现出明显的纤维结构。并且,CN对单一的D18薄膜和单一的PY-IT薄膜都能很好地调控分子堆砌和薄膜形貌。因此,CN添加剂策略能够有效地抑制聚合物给体与受体之间的不规则排列,获得质量更加优异的共混薄膜,实现全聚合物太阳电池性能的大幅提升。


文章信息


Zhang B, Zhao Y, Qin X, et al. Synergistic fibrillization engineering in donor and acceptor phases enables high-performance all-polymer solar cells. Nano Research, 2025, 18(4): 94907295. https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907295



QQ截图20240703101719.jpg

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