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蘇州大學(xué)李永舫院士團(tuán)隊李耀文教授AM:?在非鹵溶劑加工的有機太陽能電池方面取得新進(jìn)展

時間:2024-04-20 來源: 瀏覽:

蘇州大學(xué)李永舫院士團(tuán)隊李耀文教授AM:?在非鹵溶劑加工的有機太陽能電池方面取得新進(jìn)展

高分子科學(xué)前沿
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近日,《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)以“ Heterogeneous Nucleating Agent for High-Boiling-Point Nonhalogenated Solvent-Processed Organic Solar Cells and Modules ”為題,在線報道了 蘇州大學(xué) 李耀文教授 通過異相成核劑策略,在甲苯溶劑中制備了紀(jì)錄效率的小面積單節(jié)(PCE=19.42%,0.062 cm 2 )和大面積(PCE=16.35%,15.03 cm 2 )模組有機太陽能電池,在非鹵溶劑加工的有機太陽能電池領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展 Adv. Mater. , DOI: 10.1002/adma.202402350)。

有機太陽能電池(OSCs)因其具有輕質(zhì)、本征柔性、可高通量溶液印刷等優(yōu)點,在便攜式能源、光伏建筑一體化方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景,引起了廣泛關(guān)注。目前,實驗室基于氯仿加工的小面積OSCs認(rèn)證效率(PCE)已經(jīng)突破19.7%。然而,一方面,高毒性的氯仿對人類健康和自然環(huán)境威脅嚴(yán)重;另一方面,氯仿的高揮發(fā)性會導(dǎo)致大面積刮涂制備時,活性層溶液濃度急劇變化,造成薄膜的宏觀分布不均勻,這嚴(yán)重阻礙了OSCs的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。而當(dāng)使用高沸點、非鹵溶劑加工活性層時,緩慢的溶劑揮發(fā)會延長分子聚集時間,導(dǎo)致高性能小分子受體(例如L8-BO)過度聚集,性能衰減嚴(yán)重。為解決這一問題,蘇州大學(xué)李耀文教授等人提出了一種異相成核劑策略來調(diào)控基于高性能小分子受體L8-BO活性層的結(jié)晶。通過在L8-BO吡咯上引入組裝性的低聚乙二醇(OEG)側(cè)鏈,作者合成了具備更低成核能壘(? G lc )和液態(tài)-晶態(tài)界面能( γ lc )的異相成核劑BTO-BO(圖1a)。在高沸點、非鹵甲苯溶劑加工活性層時,BTO-BO提供了大量晶種作為成核位點,進(jìn)而通過其與L8-BO之間的氫鍵相互作用引發(fā)了高速率、高密度的異相成核,這有效抑制了因溶劑揮發(fā)慢而導(dǎo)致的L8-BO過度聚集,獲得了具有納米尺度相分離形貌和高結(jié)晶度的活性層。基于該策略,在甲苯溶劑中制備了紀(jì)錄效率的小面積OSCs(PCE:19.42%,認(rèn)證:19.12%)和大面積OSCs組件(PCE=16.35%,認(rèn)證:15.97%),且表現(xiàn)出優(yōu)異的工作穩(wěn)定性。

圖1 :(a)PM6、L8-BO和BTO-BO的分子式;L8-BO、BTO-BO和L8-BO:BTO-BO的(b)DSC曲線及(c)相關(guān)? H m 和? G lc 。(d)L8-BO:BTO-BO在CDCl 3 中的2D  1 H– 1 H NOESY譜圖;(e)基于甲苯加工的L8-BO、BTO-BO和L8-BO:BTO-BO薄膜的2D GIWAXS圖。
圖1a展示了PM6、L8-BO和BTO-BO的分子式。通過差示掃描量熱法(DSC)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)在L8-BO中引入BTO-BO后,其? G lcγ lc 降低,從而使得L8-BO:BTO-BO共混物具有更高的成核速率和密度。同時,2D 1 H– 1 H NOESY譜圖顯示,該異相成核是由BTO-BO和L8-BO的分子間相互作用介導(dǎo)的。此外,二維掠射廣角X射線散射(2D GIWAXS)測試表明,異相成核劑策略使L8-BO形成了更偏face-on取向的有序分子堆積。
圖2 :(a)基于甲苯加工的不同活性層薄膜的2D GIWAXS圖;(b)R-SoXS圖;成膜過程中(c)原位紫外-可見吸收光譜及(d)相關(guān)受體吸收隨時間變化的趨勢圖。
從圖2中可以看到,當(dāng)引入聚合物給體(PM6)后,BTO-BO對L8-BO的的調(diào)控作用依然存在。2D GIWAXS及共振軟X射線散射(R-SoXS)測試結(jié)果顯示,BTO-BO不僅能夠誘導(dǎo)活性層形成更有序的排列和更優(yōu)的face-on取向,而且使得活性層薄膜平均相尺寸從52.16 nm降低至38.98 nm。同時,原位紫外-可見吸收光譜結(jié)果顯示,PM6:L8-BO:BTO-BO成膜過程中的受體結(jié)晶時間明顯變短,這表明在高沸點非鹵溶劑(甲苯)中,成核劑引發(fā)的高成核密度促進(jìn)了有限空間內(nèi)受體結(jié)晶,并抑制活性層成膜過程中的過度相分離。
圖3 :活性層的結(jié)晶動力學(xué)調(diào)控示意圖。
基于上述結(jié)果,作者提出了在高沸點非鹵溶劑加工時異相成核劑BTO-BO調(diào)控活性層結(jié)晶動力學(xué)的機理(圖3)。L8-BO間較強分子間相互作用導(dǎo)致成膜過程中成核密度低,緩慢的溶劑揮發(fā)延長了分子的聚集時間,引發(fā)L8-BO過度聚集。異相成核劑BTO-BO具有較低的成核能壘,顯示出較高的成核速率和密度。與L8-BO混合后,BTO-BO可以提供大量晶種,充當(dāng)成核位點,通過其與L8-BO的高相容性和氫鍵相互作用,引發(fā)L8-BO高密度的異相成核,促進(jìn)L8-BO在限域空間內(nèi)的結(jié)晶,最終抑制了活性層的過度聚集,獲得了有序的分子排列和納米尺寸的相分離。
圖4 :(a)AM 1.5G 100 mW/cm 2 照射下OSCs的 J-V 曲線;(b)相應(yīng)的EQE光譜;(c)OSCs的光電參數(shù)雷達(dá)圖;(d)在100 mW/cm 2 白光LED照射下,基于PM6:L8-BO和PM6:L8-BO:BTO-BO所制備的未封裝器件工作穩(wěn)定性。
基于上述研究結(jié)果,作者制備了正向結(jié)構(gòu)的OSCs(圖4)?;赑M6:L8-BO:BTO-BO活性層的器件獲得了19.42%的PCE(認(rèn)證為19.12%),器件中激子解離效率、電荷遷移率和電荷抽提能力全面提升。同時,基于PM6:L8-BO:BTO-BO的OSCs表現(xiàn)出出色的穩(wěn)定性, T 90 超過1100 h。
圖5 :(a)OSC組件示意圖;(b)AM 1.5G 100 mW/cm 2 照射下OSC組件的 J-V 曲線;(c)OSC組件的LBIC圖;(d)代表性的非鹵溶劑處理的小面積OSC和OSC組件的PCE統(tǒng)計圖(PCE > 6%)。
高沸點、非鹵溶劑中異相成核劑策略的成功為開發(fā)大面積OSC組件提供了可行的方法。如圖5所示,基于PM6:L8-BO:BTO-BO在空氣中刮涂制備的OSC組件表現(xiàn)出更均勻和更強的光電響應(yīng),獲得了16.35%的紀(jì)錄PCE(認(rèn)證為15.97%)。
綜上所述,作者開發(fā)了一種異相成核劑策略來調(diào)控活性層的結(jié)晶。異相成核劑引發(fā)了L8-BO高密度、高速率成核,從而抑制了L8-BO的過度聚集,獲得了具有高結(jié)晶度和納米尺寸相分離形貌的活性層?;谠摬呗?,甲苯溶劑加工的小面積器件和大面積OSC組件均獲得了紀(jì)錄PCE,且工作穩(wěn)定性優(yōu)異。該工作有助于深化對活性層生長動力學(xué)調(diào)控的理解,有望推動OSCs的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
該工作第一作者是蘇州大學(xué)博士后 陳海陽 和碩士研究生 孫巍巍 ,通訊作者為 李耀文教授 。該研究成果得到了國家杰出青年科學(xué)基金(52325307)等項目的資助和支持。
論文鏈接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202402350
來源:高分子科學(xué)前沿
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