港科大顏河團隊突破27%室內(nèi)全聚合物太陽能電池轉(zhuǎn)換效率

發(fā)表時間：2024/6/3 15:34:39

室內(nèi)光伏（IPVs）技術近年來備受關注，它能夠利用室內(nèi)光源，為各種電子設備提供持續(xù)的電力供應，例如智能手機、傳感器、可穿戴設備等。全聚合物太陽能電池（all-PSCs）作為有機光伏電池的一種分支，以其優(yōu)異的成膜性能、形貌穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性等優(yōu)點，成為室內(nèi)光伏領域的重要研究方向。

全聚合物太陽能電池 (all-PSCs) 的特性和應用
全聚合物太陽能電池采用全聚合物活性層，即由兩種聚合物（給體和受體）組成，與傳統(tǒng)的有機太陽能電池相比，它具有以下優(yōu)勢：

l優(yōu)異的成膜性能：全聚合物活性層能夠形成均勻致密的薄膜，有利于光吸收和電荷傳輸。

l形貌穩(wěn)定性：全聚合物活性層中，兩種聚合物的相容性更好，更容易形成穩(wěn)定、均勻的相分離結(jié)構(gòu)，有利于激子解離和電荷傳輸。

l光穩(wěn)定性：與傳統(tǒng)的小分子受體相比，全聚合物受體材料的光穩(wěn)定性更好，不易發(fā)生光降解，有利于提高器件的壽命。

全聚合物太陽能電池具有廣闊的應用前景如下:

l室內(nèi)光伏：適用于各種室內(nèi)環(huán)境，為智能家居、物聯(lián)網(wǎng)設備等提供清潔能源。

l柔性電子：可以制成柔性太陽能電池，用于可穿戴設備、移動電源等。

l透明太陽能電池：可以制成透明太陽能電池，用于建筑物窗戶、汽車天窗等。

然而，受限于缺乏高性能寬帶隙聚合物受體材料，全聚合物室內(nèi)光伏電池的效率一直難以突破。香港科技大學顏河教授團隊近期取得重大突破，成功研制出一種新型寬帶隙聚合物受體材料，并將其應用于全聚合物室內(nèi)光伏電池，實現(xiàn)了驚人的 27% 的能量轉(zhuǎn)換效率 (PCE)，刷新了全聚合物室內(nèi)光伏領域的記錄。該研究成果發(fā)表在國際頂級期刊《Advanced Materials》上。

這項研究的關鍵在于精確調(diào)控聚合物受體的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移效應和鏈內(nèi)共平面度。顏河團隊巧妙地設計合成了兩種新型聚合物受體材料：PYFO-T 和 PYFO-V。與傳統(tǒng)的 PYF-T-o 相比，兩種新型材料均表現(xiàn)出明顯的藍移吸收，更符合室內(nèi)光伏的需求。其中，PYFO-V 具有更*的鏈內(nèi)共平面性和更緊密的鏈間堆疊，使其能夠更有效地傳輸電荷，并具有更長的激子壽命，從而實現(xiàn)更高的外部量子效率 (EQE)。

本研究使用設備
QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率測量解決方案

量子效率測量在研究中的重要作用

量子效率測量是評估材料性能和器件效率的關鍵手段。通過量子效率測量，研究人員能夠獲取關于激子解離效率、電荷收集效率、能量損失等關鍵信息，這些信息對于理解和優(yōu)化器件性能至關重要。

在顏河團隊的研究中，量子效率測量扮演著至關重要的角色。研究人員通過測量 PM6:PYFO-V 和 PM6:PYFO-T 兩種體系的外部量子效率，發(fā)現(xiàn) PYFO-V 的外部量子效率顯著提高。這表明 PYFO-V 在電荷分離和傳輸方面的優(yōu)勢，從而解釋了 PM6:PYFO-V 體系獲得更高效率的原因。

突破性的效率源于多方面的優(yōu)化及其他表征手段補充完善研究結(jié)果

除了量子效率測量，顏河團隊還采用了一系列先進的表征手段，例如掠入射廣角 X 射線散射 (GIWAXS)、軟 X 射線共振散射 (RSoXS)、時間解析熒光光譜 (TRPL)、瞬態(tài)光電流 (TPC) 等，對材料和器件進行深入研究。通過綜合分析這些數(shù)據(jù)，他們揭示了 PM6:PYFO-V 體系能夠獲得更高效率的原因，包括更快的電荷傳輸、更低的電荷復合率、更平衡的電子和空穴遷移率等。

Time-Resolved Photoluminescence (TRPL) 揭示材料內(nèi)部的奧秘

Time-Resolved Photoluminescence (TRPL)，即時間解析熒光光譜，是一種研究材料在光激發(fā)后發(fā)光強度隨時間變化規(guī)律的技術。通過測量材料在受到光激發(fā)后發(fā)光強度的衰減曲線，可以獲取材料內(nèi)部激子壽命、能量轉(zhuǎn)移過程、電荷復合等信息。

TRPL 技術可以幫助研究人員了解材料內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)移和電荷傳輸過程，例如激子在材料中的擴散距離、激子在給體和受體之間的轉(zhuǎn)移速率、激子在材料中的壽命等。

在顏河團隊的研究中，TRPL 技術被用來研究 PM6:PYFO-V 和 PM6:PYFO-T 兩種體系的激子壽命。結(jié)果顯示，PYFO-V 的激子壽命更短，這表明 PYFO-V 中的激子更容易發(fā)生解離，并更快地轉(zhuǎn)化為自由電荷。

雖然 TRPL 不能直接測量激子解離效率，但更短的激子壽命表明 PYFO-V 中激子轉(zhuǎn)化為自由電荷的效率更高。這與量子效率測量結(jié)果相吻合，進一步證明了 PYFO-V 在電荷分離和傳輸方面的優(yōu)勢。

其他表征手段補充完善研究結(jié)果:

除了量子效率測量和 TR-PL 技術，顏河團隊還運用了其他的表征手段來補充完善研究結(jié)果。例如：

掠入射廣角 X 射線散射 (GIWAXS) 可以用來研究材料的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和分子堆積方式，幫助理解材料的形貌和光電特性。

軟 X 射線共振散射 (RSoXS)可以用來研究材料中的相分離結(jié)構(gòu)，幫助理解電荷分離和傳輸?shù)臋C制。

瞬態(tài)光電流 (TPC) 可以用來研究器件中的電荷傳輸和復合過程，幫助優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和材料選擇。

通過綜合分析這些表征手段獲得的數(shù)據(jù)，顏河團隊成功地揭示了 PM6:PYFO-V 體系的高效率背后的原因，并為全聚合物室內(nèi)光伏技術的發(fā)展提供了新的思路。

全聚合物室內(nèi)光伏技術的光明前景

這項研究不僅為全聚合物室內(nèi)光伏電池的效率帶來了突破，也為該領域的發(fā)展提供了新的思路。顏河團隊的研究成果表明，通過精確調(diào)控聚合物受體的分子結(jié)構(gòu)和鏈間堆積，可以實現(xiàn)更高效的電荷傳輸和更低的能量損失，從而獲得更高的效率。

未來，全聚合物室內(nèi)光伏技術將向著更高的效率、更低的成本、更強的穩(wěn)定性方向發(fā)展。量子效率測量技術也將不斷發(fā)展，為研究人員提供更準確、更全面、更有效的工具，推動該領域不斷取得突破。

本文參數(shù)圖:

Fig. 22_ PYF-T-o 基于全聚合物太陽能電池在單太陽光照條件下的 J-V 特性曲線及其相應的 EQE 光譜。研究了基于 PYF-T-o 的全聚合物太陽能電池的性能，分析其光電轉(zhuǎn)換效率和外部量子效率。

Fig. S23_ (a) PM6:PYFO-V 和 PM6:PYFO-T 的歸一化電致發(fā)光 (EL) 和外部量子效率 (EQE) 光譜，用于準確計算帶隙；(b) EL 量子效率隨電流密度的變化；(c) PM6:PYFO-V 和 PM6:PYFO-T 的總 Eloss 以及其對 ΔE1、ΔE2 和 ΔE3 值的詳細分析。分析了器件的能量損失機制，研究了不同聚合物受體對能量損失的影響。

Fig. S26_ (a) JSC 作為光強度的函數(shù)以及 PYFO-T 和 PYFO-V 基全聚合物太陽能電池的功率律擬合 (JSC∝強度α)；(b) VOC 作為光強度的函數(shù)以及用于確定理想因子的對數(shù)擬合。研究了器件的光強依賴性，分析其光電轉(zhuǎn)換特性和電荷復合機制。