有機太陽能電池（OSCs）因其在柔性和可穿戴光伏設(shè)備制造中的低成本溶液加工方法而備受關(guān)注。特別是全聚合物太陽能電池（all-PSCs），由于其良好的柔性和形態(tài)穩(wěn)定性，在柔性設(shè)備領(lǐng)域顯示出巨大潛力。然而，早期用于all-PSCs的聚合物受體在近紅外區(qū)域的吸收能力較弱，且分子堆積不理想，限制了其進一步發(fā)展。為了克服這些挑戰(zhàn)，提高功率轉(zhuǎn)換效率（PCE），研究人員提出了聚合小分子受體（PSMA）的概念，利用窄帶隙小分子受體（SMAs）作為關(guān)鍵構(gòu)建模塊。PSMAs不僅具有低帶隙和強吸收的優(yōu)點，還具有適合的分子堆積和較小的激子結(jié)合能，這些特性促使all-PSCs的PCE超過了17%。盡管PSMAs在all-PSCs的發(fā)展中取得了顯著成就，但其光伏性能受批次變化的影響較大。為了解決這一問題，并實現(xiàn)更低的擴散特性，需要開發(fā)具有精確定義結(jié)構(gòu)和接近聚合物分子量的新材料。
在這樣的背景下，中科院院士李永舫團隊設(shè)計了一系列巨大分子受體（GMAs），包括DY、TY和QY，它們分別具有兩個、三個和四個小分子受體亞基。這些GMAs通過逐步合成方法制備，并用于系統(tǒng)地研究亞基數(shù)量對受體結(jié)構(gòu)和性能的影響。基于這些受體的器件中，TY基膜顯示出適當(dāng)?shù)慕o體/受體相分離，更高的電荷轉(zhuǎn)移態(tài)產(chǎn)率和更長的電荷轉(zhuǎn)移態(tài)壽命。結(jié)合最高的電子遷移率、更高效的激子解離和更低的電荷載流子復(fù)合特性，基于TY的器件實現(xiàn)了16.32%的最高PCE。發(fā)表于Nature Communications的結(jié)果不僅表明GMAs中的亞基數(shù)量對其光伏性能有顯著影響，而且還證明了通過GMAs的結(jié)構(gòu)多樣化，可以深入理解從SMAs到PSMAs的性能差異，這對于推動高效率和穩(wěn)定的有機太陽能電池應(yīng)用至關(guān)重要。
(原文獻來自: DOI:10.1038/s41467-023-43846-3)
研究程序說明及各表征設(shè)備應(yīng)用
本研究的研究程序涉及一系列復(fù)雜的步驟，概括如下：
1. 合成設(shè)計與化學(xué)合成
l 設(shè)計具特定結(jié)構(gòu)的目標(biāo)化合物，預(yù)計用作電子受體材料。
l 使用特定前體材料及反應(yīng)條件（溶劑、催化劑、溫度）進行化學(xué)合成。
2. 純化與表征
l 使用柱色譜法進行化合物純化。
l 透過核磁共振（NMR）和質(zhì)譜（HRMS）進行結(jié)構(gòu)和純度的表征
n 使用設(shè)備: 核磁共振（NMR）光譜儀及質(zhì)譜儀
3. 材料合成與結(jié)構(gòu)分析
l 合成YDT、DY、TY、QY和PY-IT化合物，并進行結(jié)構(gòu)分析。
l 采用于在氮氣氛中進行熱重分析、測量紫外-可見吸收光譜和使用凝膠滲透色譜（GPC）測定聚合物的分子量和多分散性。
n 使用設(shè)備:: 熱重分析儀（TGA）、紫外-可見（UV-Vis）分光亮度計和凝膠滲透色譜（GPC）
4. 光電化學(xué)性質(zhì)與載流子表征
l 記錄溶液和薄膜的UV-Vis光譜，進行電化學(xué)循環(huán)伏安法測量，評估材料的氧化還原電位、計算能量水平。
l 使用TRPL研究激子動態(tài)，研究了光電流密度（Jph）對有效電壓（Veff）的依賴性，并采用空間電荷限制電流SCLC測量電子和空穴的遷移率 和photo-CELIV方法測量載流子遷移率。
n 使用設(shè)備:: 電化學(xué)工作站、時間分辨光致熒光光譜儀、空間電荷限制電流（SCLC）測量設(shè)備
5. 太陽能電池制作與測試
l 采用ITO/PEDOT/活性層/PDINN/Ag傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)制作太陽能電池。
l 旋轉(zhuǎn)涂布法沉積活性層，含有PM6和受體材料的混合溶液來制備并進行熱退火處理
l 測量J-V特性、EQE及能量損失，以計算總能量損失ΔEloss及其組成部分ΔE1、ΔE2和ΔE3。
n 使用設(shè)備:: 太陽能模擬器、外量子效率（EQE）測量系統(tǒng)和(FTPS-EQE)測量系統(tǒng)
基于PM6：受體的相應(yīng)OSC的最佳EQE曲線。五種受體基礎(chǔ)設(shè)備之間的比較。
研究團隊采用了光焱科技提供的完整能量耗損分析設(shè)備，包括： QE-R外量子效率量測方案，不僅為有機太陽能電池提供了精準且高重現(xiàn)性的量子效率參數(shù)，還能通過軟件的配合，實現(xiàn)高效的ΔΕ1量測模式。此外，REPS和FTPS設(shè)備專門針對ΔE2和ΔE3的Voc耗損進行必要的參數(shù)分析。光焱科技的完整Voc耗損分析系統(tǒng)可將上述設(shè)備的數(shù)據(jù)直接執(zhí)行導(dǎo)入與導(dǎo)出，有效簡化了原本繁瑣且需要大量計算驗證的研究流程，從而成功獲取器件各階段所需的關(guān)鍵參數(shù)，并降低了程序負荷和人為計算錯誤的風(fēng)險。
光焱科技FTPS高靈敏度傅立葉變換光電流測試儀量測OPV器件軟件示意圖
6. 瞬態(tài)吸收與形態(tài)學(xué)表征
l 使用再生放大鈦：藍寶石激光系統(tǒng)和Helios泵-探針系統(tǒng)研究薄膜激發(fā)態(tài)和結(jié)晶度表征。
l 表面形態(tài)學(xué)分析，研究材料的分子堆棧和形態(tài)特征。
n 使用設(shè)備: 飛秒瞬態(tài)吸收光譜儀和光誘導(dǎo)力顯微鏡（PiFM）
GMAs研究成果及未來科研價值
本研究成功解決了多個材料合成和性能優(yōu)化的難題，并克服了在有機太陽能電池研究中的多項瓶頸。以下統(tǒng)整了團隊成功于此研究發(fā)表的各項研究成果:
克服材料合成困難：研究團隊開發(fā)了一種逐步精確的合成方法，用于合成具有多個小分子受體（SMA）亞基的巨大分子受體（GMAs）。這種方法克服了合成具有多于兩個SMA亞基的復(fù)雜GMAs的困難。
理解結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系：通過系統(tǒng)地研究具有不同數(shù)量SMA亞基的GMAs，研究人員能夠更深入地理解從SMAs到PSMAs的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。
光伏性能提升：研究發(fā)現(xiàn)，TY基的OSC裝置由于其適當(dāng)?shù)南喾蛛x、更高的電荷轉(zhuǎn)移態(tài)產(chǎn)率和壽命以及最高的電子遷移率，展現(xiàn)出最佳的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）。
熱穩(wěn)定性改善：研究表明，GMAs中較大的分子大小導(dǎo)致較低的分子擴散系數(shù)，從而提高了對應(yīng)器件的熱穩(wěn)定性。
加強器件穩(wěn)定性：通過比較YDT、TY和PY-IT基OSCs的長期儲存穩(wěn)定性，研究發(fā)現(xiàn)較大分子大小的受體有助于提高形態(tài)穩(wěn)定性。
然而，研究同時指出PSMAs的批次變異、分子擴散與能級匹配等問題，仍然是未來需要解決的挑戰(zhàn)。特別是在形態(tài)學(xué)控制方面，研究揭示了精確的相分離控制對于實現(xiàn)最佳OSC性能的重要性，這也為未來的優(yōu)化工作提供了寶貴的指引。
本研究不僅在理論上深化了對有機太陽能電池材料的認識，也為實際應(yīng)用中提升器件穩(wěn)定性和性能提供了可靠的技術(shù)支持，具有重要的科學(xué)研究參考價值。
推薦設(shè)備
FTPS
QE-R
REPS
文獻參考自Nature Communications.2024_ DOI: 10.1038/s41467-023-43846-3
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