高效充電機充電太陽能蓄電池器件壽命接近10年是如何實現(xiàn)的呢
2018-10-11 10:25:08??????點擊：
基于非富勒烯受體的充電機充電有機太陽能蓄電池近年來發(fā)展迅速。與富勒烯及其衍生物相比，非富勒烯受體具有更易調(diào)節(jié)的物理化學性質(zhì)，更有效的光譜利用，以及更小的能量損耗等優(yōu)勢。ITIC及其多種衍生物（圖一）作為非富勒烯受體材料近年來受到廣泛關(guān)注。通過分子結(jié)構(gòu)調(diào)控ITIC能級來提高充電機充電蓄電池能量轉(zhuǎn)換效率是近年來的研究熱點。協(xié)同調(diào)節(jié)受體和給體的能級已經(jīng)成功將充電機充電蓄電池能量轉(zhuǎn)換效率提高到13%以上。
對于充電機充電有機太陽能蓄電池的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)和應用，必須綜合考慮能量轉(zhuǎn)換效率、器件穩(wěn)定性以及合成難度。因此，在研究分子能級調(diào)控對其能量轉(zhuǎn)換效率影響的同時，也應該關(guān)注其對穩(wěn)定性和合成成本的影響。最近，德國埃爾蘭根-紐倫堡大學Christoph J. Brabec教授的研究團隊從能量轉(zhuǎn)換效率、器件穩(wěn)定性和合成復雜度三個方面研究了ITIC及其系列衍生物的工業(yè)化可行性，以及分子調(diào)控對充電機充電蓄電池壽命的影響。研究表明，ITIC端基和側(cè)鏈修飾對器件穩(wěn)定性有極大影響，該系列材料中的穩(wěn)定體系有望達到接近10年的器件使用壽命。最后，作者通過分析工業(yè)化指標，指出降低合成成本對于該系列材料的工業(yè)化應用前景至關(guān)重要，該工作發(fā)表在Joule上。文章第一作者為杜曉艷博士，通訊作者為李寧博士和Christoph J. Brabec教授。
作者通過進一步的瞬態(tài)光電壓譜（TPV）和載流子瞬態(tài)抽取測試 (CE)（圖三）揭示了衰減器件中缺陷相關(guān)的載流子復合損耗增加。光照線性增壓載流子瞬態(tài)法（Photo-CELIV）（圖四）測試進一步說明缺陷態(tài)增加導致載流子遷移率下降。為深入理解缺陷態(tài)產(chǎn)生的機制，作者研究了僅基于受體材料的電子傳輸器件在相同白光照射下的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，基于ITIC-2F和ITIC-Th的電子傳輸器件非常穩(wěn)定，而基于ITIC-M和ITIC-DM的器件則迅速衰減，這一結(jié)果與相應的充電機充電太陽能蓄電池的穩(wěn)定性表現(xiàn)出相同的趨勢，說明充電機充電太陽能蓄電池的穩(wěn)定性與光照下受體的穩(wěn)定性相關(guān)。傅里葉變換紅外光譜測試（FTIR）證明了ITIC-DM在光照下發(fā)生共軛健的斷裂，而光致發(fā)光測試（PL）的熒光淬滅也同樣證明了光照下缺陷態(tài)的產(chǎn)生。
隨后，作者對活性層形貌進行了詳細研究（圖五）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于ITIC的活性層結(jié)晶態(tài)部分在光照下發(fā)生結(jié)晶取向的改變，而對于端基和側(cè)鏈修飾的ITIC衍生物其結(jié)晶部分形貌相對穩(wěn)定。掠入射小角X射線散射測試（GISAXS）（見原文）則揭示了ITIC-DM在光照下有明顯的聚集態(tài)增加，結(jié)合電致發(fā)光的測試結(jié)果，作者確認了非晶態(tài)共混相形貌的改變也同時影響了ITIC-DM器件的快速衰減。
最后，作者綜合評估了該材料體系的能量轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性以及合成復雜度（表一）。分析表明，合成復雜度的降低對于提高該系列材料的工業(yè)化指標至關(guān)重要。作者同時指出降低該系列受體材料合成復雜度在技術(shù)上沒有障礙，預期短期內(nèi)可以實現(xiàn)。
表一. The calculation of industrial Figure of Merit (i-FoM) based on the power conversion efficiency (PCE), stability and synthetic complexity (SC) for the investigated material systems.
【文獻信息】
Xiaoyan Du, Thomas Heumueller, Wolfgang Gruber, Andrej Classen, Tobias Unruh, Ning Li, Christoph J. Brabec, Efficient Polymer Solar Cells Based on Non-fullerene Acceptors with Potential Device Lifetime Approaching 10 Years, Joule, DOI: 10.1016/j.joule.2018.09.001.
對于充電機充電有機太陽能蓄電池的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)和應用，必須綜合考慮能量轉(zhuǎn)換效率、器件穩(wěn)定性以及合成難度。因此，在研究分子能級調(diào)控對其能量轉(zhuǎn)換效率影響的同時，也應該關(guān)注其對穩(wěn)定性和合成成本的影響。最近，德國埃爾蘭根-紐倫堡大學Christoph J. Brabec教授的研究團隊從能量轉(zhuǎn)換效率、器件穩(wěn)定性和合成復雜度三個方面研究了ITIC及其系列衍生物的工業(yè)化可行性，以及分子調(diào)控對充電機充電蓄電池壽命的影響。研究表明，ITIC端基和側(cè)鏈修飾對器件穩(wěn)定性有極大影響，該系列材料中的穩(wěn)定體系有望達到接近10年的器件使用壽命。最后，作者通過分析工業(yè)化指標，指出降低合成成本對于該系列材料的工業(yè)化應用前景至關(guān)重要，該工作發(fā)表在Joule上。文章第一作者為杜曉艷博士，通訊作者為李寧博士和Christoph J. Brabec教授。
圖1. 給體和受體材料的分子結(jié)構(gòu)
作者通過進一步的瞬態(tài)光電壓譜（TPV）和載流子瞬態(tài)抽取測試 (CE)（圖三）揭示了衰減器件中缺陷相關(guān)的載流子復合損耗增加。光照線性增壓載流子瞬態(tài)法（Photo-CELIV）（圖四）測試進一步說明缺陷態(tài)增加導致載流子遷移率下降。為深入理解缺陷態(tài)產(chǎn)生的機制，作者研究了僅基于受體材料的電子傳輸器件在相同白光照射下的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，基于ITIC-2F和ITIC-Th的電子傳輸器件非常穩(wěn)定，而基于ITIC-M和ITIC-DM的器件則迅速衰減，這一結(jié)果與相應的充電機充電太陽能蓄電池的穩(wěn)定性表現(xiàn)出相同的趨勢，說明充電機充電太陽能蓄電池的穩(wěn)定性與光照下受體的穩(wěn)定性相關(guān)。傅里葉變換紅外光譜測試（FTIR）證明了ITIC-DM在光照下發(fā)生共軛健的斷裂，而光致發(fā)光測試（PL）的熒光淬滅也同樣證明了光照下缺陷態(tài)的產(chǎn)生。
隨后，作者對活性層形貌進行了詳細研究（圖五）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于ITIC的活性層結(jié)晶態(tài)部分在光照下發(fā)生結(jié)晶取向的改變，而對于端基和側(cè)鏈修飾的ITIC衍生物其結(jié)晶部分形貌相對穩(wěn)定。掠入射小角X射線散射測試（GISAXS）（見原文）則揭示了ITIC-DM在光照下有明顯的聚集態(tài)增加，結(jié)合電致發(fā)光的測試結(jié)果，作者確認了非晶態(tài)共混相形貌的改變也同時影響了ITIC-DM器件的快速衰減。
最后，作者綜合評估了該材料體系的能量轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性以及合成復雜度（表一）。分析表明，合成復雜度的降低對于提高該系列材料的工業(yè)化指標至關(guān)重要。作者同時指出降低該系列受體材料合成復雜度在技術(shù)上沒有障礙，預期短期內(nèi)可以實現(xiàn)。
表一. The calculation of industrial Figure of Merit (i-FoM) based on the power conversion efficiency (PCE), stability and synthetic complexity (SC) for the investigated material systems.
【文獻信息】
Xiaoyan Du, Thomas Heumueller, Wolfgang Gruber, Andrej Classen, Tobias Unruh, Ning Li, Christoph J. Brabec, Efficient Polymer Solar Cells Based on Non-fullerene Acceptors with Potential Device Lifetime Approaching 10 Years, Joule, DOI: 10.1016/j.joule.2018.09.001.
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