我科学家提出改善有机太阳能电池器件柔性和稳定性的通用策略

2020-06-22 12:44:53 来源: 科技日报 作者: 王健高 刘佳

科技日报记者王 健高 通讯员 刘佳

6月22日,记者从中国科学院青岛生物能源与过程研究所获悉,由该所包西昌研究员带领的先进功能材料与器件研究组与大连理工大学王锦艳教授的“科技部重点领域”耐高温高性能工程塑料创新团队、上海同步辐射光源的杨春明研究员合作提出了一种基于耐高温聚芳醚树脂提升有机太阳能电池稳定性和柔性的通用性策略,相关成果发表在《先进功能材料》上。

有机太阳能电池(OPV)技术凭借独特的质轻、柔性、半透明、弱光敏感以及可通过卷对卷大面积制备等优点独树一帜,可在便携式和柔性电子消费应用领域与无机太阳能电池形成有效互补,吸引了国内外科研机构和产业界的广泛关注。

据介绍,近几年OPV的效率已经取得了长足进步,超过18%。然而,关于OPV 器件的稳定性研究却远远滞后于效率的发展。目前阶段,OPV 较差的光热稳定性是其实现产业化所面临的一大阻力。

包西昌研究员带领的先进功能材料与器件研究组与王锦艳教授的“科技部重点领域”耐高温高性能工程塑料创新团队、杨春明研究员开展协同创新,合作科研,提出了一种基于耐高温聚芳醚树脂提升有机太阳能电池稳定性和柔性的通用性策略。

耐高温聚芳醚树脂是一种可用于军工极端环境下的特种工程塑料,具有优异的耐高温和水氧稳定性,可以满足极端环境下的使用需求。与之相反,有机光伏材料因为长柔性侧链的存在(改善溶解性)难以避免自身分子的高温蠕动行为,这是导致OPV器件稳定性差的重要原因之一。与此同时,聚芳醚高度扭曲的主链结构赋予了聚合物薄膜优异的机械性能和可拉伸性。经典的光伏给受体化合物在薄膜力学性能也上远远弱于耐高温聚芳醚树脂。该工作中,通过在OPV的活性层内构筑耐高温聚芳醚树脂的网络化结构,研究了耐高温聚芳醚树脂在活性层内对器件效率、稳定性和柔性的影响因素及机制。这种耐高温树脂网络化的形貌有效阻止了光伏给受体在高温下的分子蠕动行为,提升了OPV器件的稳定性。并且聚芳醚之间的链缠结效应也阻止了光伏给受体分子在高拉伸强度下的断裂行为,提升了活性层的拉伸性能和器件的柔性。该工作也首次使用了原位广角X 射线衍射拉伸测试表征了光伏活性层薄膜的拉伸形变行为。研究发现,耐高温聚芳醚树脂在给受体活性层内可能存在着电子隧穿效应,因此上述策略并不会大幅降低器件的光电转化效率。在器件光电转化效率(PCE)保持15.17%基础上,活性层的断裂伸长率可以高达25.07%,这是目前高效有机太阳能电池(PCE>8%)的最高值。上述工作为提升OPV 器件的稳定性和柔性提供了一种通用性策略,并为其在未来柔性能源领域的产业化应用提供一种行之有效的方法。

据介绍,该所先进有机功能材料与器件团队韩建华博士和大连理工大学鲍锋博士为论文共同第一作者,论文通讯作者为包西昌研究员和阳仁强研究员、王锦艳教授和杨春明研究员。

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责任编辑:李俊霞

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