Small:迈向未来——本征可拉伸的稳定有机太阳能电池

随着地球人口数量的逐步增加,人类对于可持续能源的需求急剧增加。其中,可人工合成的有机太阳能电池作为高效绿色的发电形式受到广大学者的青睐。相比于传统的硅基太阳能电池,有机太阳能电池最大的优势在于有机材料的本征柔性,由碳、氢、氧等元素构成的骨架天生具有一定的变形容忍度,赋予了有机太阳能电池在柔性便携可穿戴电子领域巨大的应用潜力。一般而言,提高材料结晶性可改善材料的迁移率,从而提高光电转化效率。然而材料结晶性的提升将不可避免的导致材料脆化,降低其变形性。因此,受限于活性层力学性能以及电学性能间的排斥作用,目前多数电池的变形率往往低于5%,难以满足实际应用。如果能够应对提高光电转化效率和提升力学性能在形貌需求上的矛盾,将对未来高效的可拉伸电池的制备产生重要影响。

西安交通大学马伟团队针对这一问题利用PBDB-T:N2200为模型体系进行了一些探讨:通过加入力学性能优异的第三组份PCE10,并谨慎的调节不同组分间的相互作用力,在不破坏原有形貌的基础上提升了活性层的可变形性,实现了光电转化效率和力学性能的双重提升。相关研究结果发表在Small上。

在塑性较低的体系中加入力学性能优异的第三组分(如弹性体)被广泛用于提升活性层的可变形性。然而,由于绝缘弹性体与有机半导体间的相容性差,导致加入弹性体后原有最优形貌遭到明显破坏,光电转化效率下降。为克服这一缺陷,该研究团队创造性地提出用高塑性的有机半导体材料取代弹性体作为第三组分加入原有二元体系中,获得了效率以及变形性的同步提高。PBDB-T:N2200二元体系中,由于N2200的结晶性的较高,与PBDB-T共混后,二者产生明显的相分离,形成由纤维状的N2200主导的互穿网络。为了维持这样的形貌,研究人员在测试了一系列有机半导体材料的力学性能以及表面能后,选取了与PBDB-T具有更高的相容性的高塑性的PCE10作为第三组分。由于PBDB-T和PCE10间相容性良好,引入的PCE10更多地与PBDB-T产生相互作用而不会过多影响N2200的结晶,因而可以很好的保持原有的由纤维状的N2200主导的互穿网络。同时,由于PCE10可以有效补充原有体系在近红外波段的吸收,因而可以显著提升原有体系的光生电流,提高其光电转化效率。此外,PCE10与PBDB-T间产生强烈的相互缠结,可以有效分散外力,提升活性层的可变形能力。这种加入相容性匹配的高塑性有机半导体第三组分可以拓展到其他具有明显相分离的体系,从而为制备高效的可拉伸太阳能电池提供可靠手段。

论文信息:

Intermolecular Interaction Control Enables Co-optimization of Efficiency, Deformability, Mechanical and Thermal Stability of Stretchable Organic Solar Cells

Qinglian Zhu, Jingwei Xue, Lu Zhang, Jialun Wen, Baojun Lin, Hafiz Bilal Naveed, Zhaozhao Bi, Jingming Xin, Heng Zhao, Chao Zhao, Ke Zhou, Shengzhong (Frank) Liu, Wei Ma

Small

DOI: 10.1002/smll.202007011