寧波材料所在柔性有機太陽能電池研究方面取得新進展
近年來，隨著可穿戴電子設(shè)備市場的增長，對可穿戴發(fā)電設(shè)備的要求也越來越嚴格。有機太陽能電池因具有重量輕、設(shè)計性強和便于加工的特點成為柔性電源的理想解決方案。然而，相較于目前光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)超過19%的剛性有機太陽能電池，柔性有機太陽能電池在光電轉(zhuǎn)化效率以及力學(xué)性能上仍然存在不足。因此開發(fā)具有高光電轉(zhuǎn)化效率和高力學(xué)穩(wěn)定性的柔性有機太陽能電池仍然極富挑戰(zhàn)。
近日，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所有機光電材料與器件團隊提出了一種將柔性寡聚物受體作為第三組份摻入有機太陽能電池活性層的策略，能夠同時提高有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率以及機械性能，為制備高效柔性有機太陽能電池提供了一種簡便的方法。研究人員首先通過使用不同的柔性橋聯(lián)鏈段，合成了一系列具有不同橋聯(lián)單元和聚合度的寡聚物受體材料（DOY-C2、DOY-C4和TOY-C4）。由于聚合度和橋聯(lián)單元柔性的不同，這些寡聚物受體也表現(xiàn)出了不同的力學(xué)性能與堆積行為。同時，相較于傳統(tǒng)的小分子受體材料N3，柔性寡聚物受體表現(xiàn)出了明顯更好的力學(xué)性能。
為探究寡聚物受體作為第三組份對于有機太陽能電池效率的影響，研究人員制備了相應(yīng)的剛性電池器件。通過對電池各種參數(shù)的表征測試，研究人員發(fā)現(xiàn)，寡聚物受體摻入后主要通過降低有機太陽能電池中的非輻射能量損失進而提高電池的開路電壓。其中基于D18：N3：DOY-C4的器件表現(xiàn)出了19.01%的剛性光電轉(zhuǎn)化效率和17.91%的柔性光電轉(zhuǎn)化效率，該柔性效率也是目前報道的柔性有機太陽能電池的最高效率之一。
隨后，研究人員又對活性層材料進行了拉伸測試。相較于D18：N3混合膜表現(xiàn)出的7.8%的斷裂拉伸率，摻雜15%寡聚物DOY-C4后的混合膜則表現(xiàn)出了接近12%的斷裂拉伸率，同比增長超過50%。通過對不同薄膜拉伸后形貌的分析，作者認為柔性寡聚物受體能夠與聚合物給體之間形成類纏結(jié)的行為，這種行為導(dǎo)致了薄膜力學(xué)性能的顯著增長。
該研究成果以“Ductile Oligomeric Acceptor-modified Flexible Organic Solar Cells show Excellent Mechanical Robustness and near 18% Efficiency”為題發(fā)表于Advanced Materials（DOI：10.1002/adma.202305562，論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202305562）。寧波材料所博士研究生葉勤睿和陳振宇為共同第一作者，寧波材料所特聘青年研究員宋偉和葛子義研究員為通訊作者。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金（U21A20331）、國家杰出青年科學(xué)基金（21925506）、寧波市重點科技項目（2022Z117）與浙江省自然科學(xué)基金（LQ22E030013）的資助。
圖1 聚合物給體D18、小分子受體N3、寡聚物受體材料結(jié)構(gòu)
圖2 電池光電轉(zhuǎn)化效率及相關(guān)參數(shù)表征結(jié)果
圖3 不同薄膜拉伸后斷裂以及拉伸后松弛圖
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