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科研动态|西安交大科研人员实现聚合物太阳电池的形貌及稳定性的快速预测
2019-08-22 10:28:09

近年来,非富勒烯聚合物太阳能电池以其优异的性能得到了快速进展。然而,面对成千上万的给体和受体材料,合理选择相匹配的材料组合,并快速优化及保持给受体共混薄膜的微观形貌是提高器件能量转化效率和稳定性的关键。然而,长期以来材料组合的选择、形貌优化过程一直采用大量的重复试验和低效的盲目试错。其中的一个重要原因是微观形貌的精细化表征非常困难,通常需要借助于复杂的同步辐射X射线技术。科研人员巧妙地将差热式扫描量热计(DSC)第一次加热过程中获得的冷结晶温度,与X射线技术获得微观相分离结构建立了对应关系。该方法极大的简化了形貌表征和优化的过程,并且为材料组合的选择及形貌优化的策略提供了明确的方向。



针对聚合物太阳能电池中材料组合的选择及形貌优化盲目的问题,西安交通大学金属材料强度国家重点实验室马伟教授课题组的研究人员将高分子物理中的冷结晶温度这一参数利用到聚合物太阳能电池中。通过差热式扫描量热计(DSC)这一简便普及的测试手段可以得到结晶时的温度,也就是冷结晶温度(第一轮加热)。冷结晶温度不仅可以描述共混膜中受体材料结晶的难易程度,还能有效反应共混形貌距离热力学平衡态的距离,也就是高分子物理中常说的淬火深度(quenched depth)。科研人员选取了最具代表性的非富勒烯受体材料ITIC,并与不同结晶性的给体材料共混测量其冷结晶温度后发现与给体材料结晶性越强,共混膜中ITIC的冷结晶温度越低。科研人员进一步利用同步辐射X射线形貌表征法,测得不同共混膜的相分离信息,并成功构建了冷结晶温度与共混相分离程度的线性关系;在高效非富勒烯有机光伏体系中成功实现了快速便捷的形貌检测。此外冷结晶温度还与聚合物太阳能电池的性能及热稳定性构建了一系列联系。该工作创新地在有机光伏中使用了冷结晶温度来描述共混膜的相分离状态,对未来器件形貌优化具有重要的指导意义。

上述研究成果以《聚合物太阳能电池中相分离,性能及稳定性相关的冷结晶温度》(Cold Crystallization Temperature Correlated Phase Separation, Performance and Stability of Polymer Solar Cells)为题发表在《细胞》Cell出版社全新推出的材料科学期刊《物质》Matter上,该期刊面向报道材料研究的重大进展,同时它也是《细胞》Cell,《焦耳》Joule的姊妹期刊。马伟教授为本文的通讯作者,研究生辛景明和孟向毅为共同第一作者,西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为本文的唯一通讯单位。

该工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划,中国科学院长春应用化学研究所聚合物物理与化学国家重点实验室开放研究基金、美国劳伦斯伯克利国家实验室先进光源的支持。

文章链接:https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30063-3


编辑:cwfan
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