全聚合物太陽能電池(all-PSCs)憑借其出色的穩(wěn)定性和機械耐用性，被認為是未來太陽能電池應(yīng)用的重要方向。全聚合物太陽能電池主要由供體和受體兩種有機聚合物材料組成，其基本結(jié)構(gòu)包括以下：

l  透明導電電極： 通常由氧化銦錫（ITO）制成，用于光的透射和電子的導電。

l  電子傳輸層： 提高電子從活性層向電極的傳輸效率。

l  活性層： 由供體和受體材料組成，是光生電荷的主要產(chǎn)生區(qū)域。供體材料吸收光子產(chǎn)生激子（電子-空穴對），激子在受體材料處分離成自由電子和空穴。

l  空穴傳輸層： 提高空穴從活性層向電極的傳輸效率。

l  金屬電極： 通常由銀或鋁制成，用于收集和導出電荷。

近年來，全聚合物太陽能電池的研究發(fā)展迅速：

l  材料發(fā)展: 隨著非富勒烯受體材料的快速發(fā)展，APSCs的光/熱穩(wěn)定性和柔韌拉伸性能顯著提高。

l  轉(zhuǎn)換效率: 研究顯示，聚合物太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率已突破10%，這使其成為一種有競爭力的替代傳統(tǒng)硅基太陽能電池的技術(shù)。

l  機械靈活性: APSCs表現(xiàn)出優(yōu)異的透明性、溶液加工性和機械靈活性，使其在柔性電源系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用前景。

然而，由于其效率長期落后于小分子受體基太陽能電池，限制了其進一步發(fā)展。如何有效平衡并提升開路電壓(Voc)和短路電流密度(Jsc)成為全聚合物太陽能電池領(lǐng)域的一大難題。

近期，香港科技大學顏河教授團隊在國際頂級期刊 Energy & Environmental Science 上發(fā)表了突破性研究成果， 成功開發(fā)了一種名為PYO-V的新型聚合物受體， 它可以通過調(diào)節(jié)分子結(jié)構(gòu)， 實現(xiàn)更寬的光譜吸收和更高的能量級， 從而有效提升了全聚合物太陽能電池的性能， 并實現(xiàn)了高效的多功能光伏應(yīng)用。

顏河教授是香港科技大學化學系教授，長期致力于有機光伏材料與器件方面的研究， 在國際著名期刊發(fā)表了200余篇高質(zhì)量學術(shù)論文。 他的團隊致力于突破現(xiàn)有全聚合物太陽能電池的技術(shù)瓶頸， 為下一代高效穩(wěn)定的光伏器件的開發(fā)提供新的思路和方向。

【突破性設(shè)計：巧妙調(diào)節(jié)分子結(jié)構(gòu)，提升光伏性能】

研究團隊針對目前全聚合物太陽能電池中開路電壓 (VOC) 和短路電流密度 (JSC)難以兼得的難題，巧妙設(shè)計并合成了一種新型的聚合物受體PYO-V。 該分子通過在外部噻吩單元的 β 位置引入烷氧基側(cè)鏈， 實現(xiàn)了能級上移和吸收藍移。

PYO-V 的優(yōu)勢：

l  更寬的光譜吸收范圍: PYO-V 能夠有效吸收更多光能， 顯著提升光電流。

l  更優(yōu)異的分子排列: 烷氧基側(cè)鏈的存在， 可以有效提升聚合物材料的分子排列， 從而促進載流子的傳輸和分離， 減少復合損失， 提升器件的效率。

l  更高的開路電壓: PYO-V 擁有更高能量級， 有效降低了太陽能電池的電壓損失， 從而提高了器件的開路電壓。

l  多功能的應(yīng)用: PYO-V 同時具有戶外和室內(nèi)應(yīng)用的潛力， 可以在不同的光照環(huán)境下表現(xiàn)出高效的光伏特性。

【突破效率極限，打造更穩(wěn)定的全聚合物太陽能電池】

研究人員通過將 PYO-V 引入到 PM6:PY-V-γ 主體系統(tǒng)中， 實現(xiàn)了對光譜吸收的有效補充。 最終， 他們成功制備出了基于 PM6:PY-V-γ:PYO-V 的三元全聚合物太陽能電池， 器件效率高達18.5%， 成為目前報道的所有使用開路電壓超過0.93 V的全聚合物太陽能電池中的新紀錄。

為了準確地測試太陽能電池器件的性能， 研究團隊使用了 光焱科技的 SS-X AM1.5G太陽光仿真器 和 QE-R PV/太陽能電池量子效率光學儀 。 SS-X 太陽光模擬器為研究人員提供了精準模擬太陽光的環(huán)境， 而 QE-R 則可以幫助研究人員分析太陽能電池在不同波長范圍的光電轉(zhuǎn)化效率， 從而為器件設(shè)計和性能優(yōu)化提供重要參考數(shù)據(jù)。

突破傳統(tǒng)束縛，全聚合物太陽能電池的未來充滿希望

該研究結(jié)果表明， 通過合理的設(shè)計和分子調(diào)控， 全聚合物太陽能電池可以獲得與小分子受體基太陽能電池相當甚至更高的效率。 未來， 研究團隊將進一步優(yōu)化全聚合物太陽能電池的性能， 使其在實際應(yīng)用中發(fā)揮更大的作用。

【總結(jié)】

顏河教授團隊通過開發(fā)具有更寬光譜吸收和更高能級的聚合物受體 PYO-V， 突破了傳統(tǒng)全聚合物太陽能電池的效率瓶頸， 實現(xiàn)了更高效率和更穩(wěn)定性能的多功能全聚合物太陽能電池。 這項研究成果為開發(fā)未來高效穩(wěn)定的全聚合物太陽能電池提供了重要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)參考。

重要技術(shù)參數(shù)：

全聚合物太陽能電池效率： 18.5%

關(guān)鍵材料： PYO-V

關(guān)鍵技術(shù)： 分子調(diào)控策略

關(guān)鍵設(shè)備： 光焱科技的 SS-X AM1.5G太陽光仿真器 和 QE-R PV/太陽能電池量子效率光學儀

香港科技大學_顏河教授

顏河教授是香港科技大學化學系教授，其團隊主要專注于新型有機光伏材料的研發(fā)， 包括高性能聚合物供體材料、受體材料，以及新的器件設(shè)計。 他們的研究目標是開發(fā)出效率更高、更穩(wěn)定、成本更低的光伏器件， 推動再生能源技術(shù)的進步。 顏教授領(lǐng)導的團隊已在國際著名期刊上發(fā)表了200余篇高質(zhì)量學術(shù)論文， 并在有機光伏領(lǐng)域取得了重大成果。

課題組主要研究方向

I.    有機光伏材料與器件：

研究新型有機光伏材料的合成與性能優(yōu)化。

探索高效能有機太陽能電池的制備技術(shù)及其應(yīng)用。

II.   全聚合物太陽能電池：

開發(fā)高效能的全聚合物太陽能電池材料。

研究全聚合物太陽能電池的結(jié)構(gòu)與機理，提升其光電轉(zhuǎn)換效率。

III. 柔性與可印刷電子器件：

研究柔性電子材料及其在可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用。

探討可印刷電子器件的制備工藝及其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

IV.   光電功能材料：

研發(fā)具有優(yōu)異光電性能的新型功能材料。

研究光電材料在光電探測、光催化等方面的應(yīng)用。

參考文獻

An efficient alkoxy-substituted polymer acceptor for efficient all-polymer solar cells with low voltage loss and versatile photovoltaic applications_ Energy Environ. Sci., 2024

【本研究參數(shù)圖】

Fig 1.  （a） PM6（聚合物供體）、PY-V-γ（深色聚合物受體）和PYO-V（熱致變色聚合物受體）的化學結(jié)構(gòu)。（b） PM6、PY-V-γ、PYO-V 和 PY-V-γ：PYO-V 薄膜和 （c） PM6：PY-V-γ、PM6：PYO-V 和 PM6： PY-V-γ：PYO-V 溷合薄膜的歸一化紫外-可見吸收光譜。（d） 所有PSC中材料的能量對齊。

Fig 2. （a） J-V特性和（b）外部量子效率（EQE）光譜和（c）三種類型的全PSC的暗J-V曲線。（d） PY-V-γ、PYO-V、PY-V-γ：PYO-V純薄膜和PM6：PY-V-γ、PM6：PYO-V和PY-V-γ：PYO-V共溷薄膜的TR-PL衰減曲線。泵浦和探頭波長為 750 nm。（e） 四種全聚合物器件的 TPC 和 （f） TPV 光譜。

Fig S14.(a) 基于 PM6:PYF-T-o、PM6:PYO-V 和 PM6:PYF-T-o:PYO-V。(c) 基于 PM6:PYF-T-o、PM6:PYO-V 和 PM6:PYF-T-o:PYO-V 的器件的 EQE 曲線。

上述研究數(shù)據(jù)來自光焱科技 _ QE-R 光伏/太陽能電池 EQE 完整解決方案

推薦設(shè)備

1.     QE-R_光伏 / 太陽能電池量子效率測量解決方案
具有以下特色優(yōu)勢：

l   高精度: QE-R 系統(tǒng)采用高精度光譜儀和校準光源，確保 EQE 測量的準確性和可靠性。

l   寬光譜范圍:QE-R 系統(tǒng)的光譜范圍覆蓋紫外到近紅外區(qū)域，適用于各種光伏材料和器件的 EQE 測量。

l   快速測量:QE-R 系統(tǒng)具有快速掃描和數(shù)據(jù)采集功能，能夠高效地進行 EQE 光譜測量。

l   易于操作:QE-R 系統(tǒng)軟件界面友好，操作簡單方便，即使是初學者也能輕松上手。

l   多功能:QE-R 系統(tǒng)不僅可以進行 EQE 測量，還可以進行反射率、透射率等光學特性的測量，具有多功能性。

2. SS-X系列集成式解決方案 AM1.5G 標準光譜太陽光模擬器+ 軟件: IVS-KA6000 + IVS-KA-Viewer

AM1.5G 標準光譜太陽光模擬器

• A+ 光譜：接近 AM1.5G 標準光譜

• A+ 輻照度的時間不穩(wěn)定性

• SS-IRIS：自主研發(fā)技術(shù)自動光強操控

• 適合與手套箱集成的輸出光束方向

IVS-KA6000：IV測量軟件 所有 SS-X 系列太陽光模擬器都可以通過 IVS-KA6000 軟件進行控制，該軟件是 IV 測量軟件，可用于準確的 PV 表征。不僅是光閘，輸出光輻照度也可以通過 IVS-KA6000 IV 軟件進行操控，幫助用戶輕松完成不同光強下復雜的 IV 測試或 Sun- Voc測試。來自 IVS-KA6000 的所有 IV 數(shù)據(jù)都可以通過 IVS-KA-Viewer 讀取和分析，這是另一款多功能分析軟件。

KA-Viewer IV 分析軟件 可以大幅縮短用戶的數(shù)據(jù)處理時間，并可加快整體工藝改進研發(fā)的時程。

文獻參考自 Energy Environ. Sci., 2024,_ DOI:10.1039/D4EE01804D

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