上海交大刘烽教授团队 Nat. Commun.: 全聚合物电池效率突破19%并实现广角度光吸收

2023-08-05 来源：高分子科技

未来光伏建筑/交通一体化下，很难保证光垂直入射，因此实现大接收角的光伏组件是减少光伏组件实际应用中光损失的必经之路(如图1)。全聚合物有着优异的稳定性，更加适合商业化应用，然而由于全聚合物电池形貌调控困难，效率相对类y6类小分子受体较低。开发具有纳米级纤维结构集成在微米尺寸表面拓扑结构中的有机光伏薄膜是一种理想的方案。

图1 表面陷光形貌的优势

近期，上海交通大学刘烽教授团队以全聚合物体系PM6:PY-IT为基础，提出了一套形貌顺序调控策略（DIB/TA/SVA），将全聚合物形貌调节难题拆分，逐步优化活性层薄膜形貌。顺序形貌调控策略的引入，实现纳米尺度纤维结晶形貌优化，促进了激子到载流子的转换。更重要的是，在后处理过程中，高浓度的DIB与活性层薄膜由于模量差异，产生的应力释放导致表面出现岛状陷光结构。纳米纤维供体-受体网络和微米尺度陷光结构的结合使效率达到19.06%(经认证为18.59%)，这是迄今为止全聚合物太阳能电池的最高效率。此外，微米尺寸的表面结构也有助于大的光接收角，相比于常规平面结构器件功率增益提高了30%。

GIWAXS的表征结果表明，与as-cast PM6:PY-IT共混膜相比，DIB和DIB/TA/SVA共混膜的结晶性得到改善。DIB/TA/SVA共混膜结晶质量的明显提升，表明相应的处理增强了π-π堆积的有序性。这种变化主要是由TA/SVA处理引起的，TA/SVA处理驱除了DIB添加剂，诱导了纤维形态的形成。改进的π-π堆积有利于提升电荷传输和减少复合，从而提高了器件的性能。，以1650和2215 cm^?1波数处的红外吸收分别标定PM6和PY-IT，基于AFM-IR来探测DIB/TA/SVA共混物中的纤维结构，PM6和PY-IT显示出分辨率良好的互联纤维结构，平均宽度约为15 nm，根据线切割剖面估计，纤维间距离约为30 nm。在纳米级双连续形貌的顶部为顺序加工薄膜的微米级陷光结构，以光学显微镜、表面轮廓仪等表征方法证明了活性层表面直径大约为10个微米的陷光结构存在，如图2所示。与硅电池类似，岛状陷光结构提供漫反射来减少光学损失以此提高器件性能。图3为太阳能电池的角度相关器件性能对比图。对于DIB/TA/SVA器件，在入射角为50°时，光电转换效率为16.76%。相比之下，as-cast器件在相同入射角下的PCE为11.02%。在这种情况下，可以获得更高的日间能源产量和更灵活的安装条件。得到了令人鼓舞的结果。

图2 纳米尺度纤维结晶与微米尺度陷光形貌

图3 微米表面形貌实现广角度光吸收

该工作以“具有纳米/微米分级结构和广角光接收的全聚合物有机太阳能电池”（All-polymer organic solar cells with nano-to-micron hierarchical morphology and large light receiving angle）为题发表在《nature communication》上（Nat. Commun. 14, 4148 (2023)）。化学化工学院博士生曾瑞、博士后研究员朱磊为论文第一作者，上海交通大学刘烽教授为通讯作者。上海交通大学化学化工学院、变革性分子前沿科学中心、物质科学原位中心、氢科学中心为第一完成单位。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-39832-4

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（责任编辑：xu）

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