【儀表網 研發快訊】近日，Energy & Environmental Science以研究性論文(Research Article)的形式在線發表武漢大學高等研究院教授閔杰課題組在高性能全聚合物有機太陽能電池方面取得的新進展。論文題為“19.46%-Efficiency All-Polymer Organic Solar Cells with Excellent Outdoor Operational Stability Enabled by Active Layer Reconstruction”(《活性層重構實現具有19.46%效率和良好戶外穩定性的全聚合物有機太陽能電池》)。高等研究院2024級碩士研究生吳小黑和2022級碩士研究生肖博為論文共同第一作者，孫瑞副研究員和閔杰為論文通訊作者，高等研究院為第一署名單位/第一通訊單位。
有機光伏(OPV)作為一種高效清潔能源器件，具有成本低、重量輕、溶液可加工性、半透明等獨特優勢，在建筑集成光伏和柔性可穿戴器件等領域具有巨大應用潛力。多組分策略是有機太陽能電池常用的實現高性能的策略之一，通過不同材料之間互補吸收和形貌改善，通常可以達到更優異的器件性能。但多組分系統的相分布和相分離尺寸需要得到有效的調控和優化，以實現更有利的載流子動力學行為和薄膜形貌穩定性。閔杰課題組率先發展了一種逐層涂覆(Layer-by-Layer，LbL)工藝以實現良好的準平面結構的活性層，并首次將其與刮涂工藝相結合，證明了LbL工藝作為一種通用的有機光伏活性層制備工藝，不僅可以實現小面積多組分器件的效率-穩定性協同優化(Joule, 2021, 5, 1548-1565；Adv Mater, 2022, 35, 2209350；Joule, 2023, 7, 221-237；)，還可以克服大面積模組的“尺度滯后”效應(Joule, 2020, 4, 407-419)，并且可以實現活性層的高速、可擴展、低成本印刷(Nature Energy, 2022, 7, 1087-1099)，這些研究凸顯了LbL刮涂工藝在調控活性層組分分布和對接工業化生產場景方面的巨大優勢。
該研究的器件制備工藝、給受體組分相分布和器件J-V參數，以及戶外運行穩定性
基于此，該課題組提出了雙層刮涂制備四元全聚合物器件的策略。選用兩個帶隙相近但聚集特性不同的二元全聚合物體系，依次刮刀涂布結晶性更強的D18-Cl:PY-Cl亞層和結晶性稍弱的PM6:PY-SSe亞層得到具有類似雙層結構的四元全聚合物活性層，既利用了材料的互補吸收帶來的短路電流增益，同時又合理控制了聚合物給受體材料的混溶尺度和相分布，從而實現了能量無序和載流子復合的抑制，最終在標準測試條件下取得了19.46%的能量轉換效率，該效率為全聚合物體系的最高效率。在武漢大學校園內戶外工況條件下(根據ISOS-O2標準)對器件的穩定性進行監測，研究結果表明，逐層刮涂的器件相比四元共混刮涂制備的器件具有顯著改善的器件戶外穩定性，這與在實驗室環境中測得的熱穩定性和最大功率輸出點追蹤-運行穩定性結果一致。這項研究通過多種形貌表征、器件物理表征和穩定性測試分析，關聯了聚合物材料聚集特征和器件的光電性能、穩定性，提出了一種協同改善全聚合物多組分太陽能電池效率和穩定性的活性層制備思路。
該研究得到了國家自然科學基金和中央高校基本科研業務費的資助并獲得江漢大學肖標副教授、德國埃爾朗根-紐倫堡大學Christoph J. Brabec教授、俄羅斯科學院Yuriy Luponosov教授、武漢大學張瑩博士等合作者在性能測試表征方面的幫助。武漢大學科研公共服務條件平臺為此項工作的開展提供了有力的支撐。
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