港科大顏河團隊突破27%室內全聚合物太陽能電池轉換效率

發表時間：2024/6/3 15:34:39

室內光伏（IPVs）技術近年來備受關注，它能夠利用室內光源，為各種電子設備提供持續的電力供應，例如智能手機、傳感器、可穿戴設備等。全聚合物太陽能電池（all-PSCs）作為有機光伏電池的一種分支，以其優異的成膜性能、形貌穩定性和光穩定性等優點，成為室內光伏領域的重要研究方向。

全聚合物太陽能電池 (all-PSCs) 的特性和應用
全聚合物太陽能電池采用全聚合物活性層，即由兩種聚合物（給體和受體）組成，與傳統的有機太陽能電池相比，它具有以下優勢：

l優異的成膜性能：全聚合物活性層能夠形成均勻致密的薄膜，有利于光吸收和電荷傳輸。

l形貌穩定性：全聚合物活性層中，兩種聚合物的相容性更好，更容易形成穩定、均勻的相分離結構，有利于激子解離和電荷傳輸。

l光穩定性：與傳統的小分子受體相比，全聚合物受體材料的光穩定性更好，不易發生光降解，有利于提高器件的壽命。

全聚合物太陽能電池具有廣闊的應用前景如下:

l室內光伏：適用于各種室內環境，為智能家居、物聯網設備等提供清潔能源。

l柔性電子：可以制成柔性太陽能電池，用于可穿戴設備、移動電源等。

l透明太陽能電池：可以制成透明太陽能電池，用于建筑物窗戶、汽車天窗等。

然而，受限于缺乏高性能寬帶隙聚合物受體材料，全聚合物室內光伏電池的效率一直難以突破。香港科技大學顏河教授團隊近期取得重大突破，成功研制出一種新型寬帶隙聚合物受體材料，并將其應用于全聚合物室內光伏電池，實現了驚人的 27% 的能量轉換效率 (PCE)，刷新了全聚合物室內光伏領域的記錄。該研究成果發表在國際頂級期刊《Advanced Materials》上。

這項研究的關鍵在于精確調控聚合物受體的分子內電荷轉移效應和鏈內共平面度。顏河團隊巧妙地設計合成了兩種新型聚合物受體材料：PYFO-T 和 PYFO-V。與傳統的 PYF-T-o 相比，兩種新型材料均表現出明顯的藍移吸收，更符合室內光伏的需求。其中，PYFO-V 具有更*的鏈內共平面性和更緊密的鏈間堆疊，使其能夠更有效地傳輸電荷，并具有更長的激子壽命，從而實現更高的外部量子效率 (EQE)。

本研究使用設備
QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率測量解決方案

量子效率測量在研究中的重要作用

量子效率測量是評估材料性能和器件效率的關鍵手段。通過量子效率測量，研究人員能夠獲取關于激子解離效率、電荷收集效率、能量損失等關鍵信息，這些信息對于理解和優化器件性能至關重要。

在顏河團隊的研究中，量子效率測量扮演著至關重要的角色。研究人員通過測量 PM6:PYFO-V 和 PM6:PYFO-T 兩種體系的外部量子效率，發現 PYFO-V 的外部量子效率顯著提高。這表明 PYFO-V 在電荷分離和傳輸方面的優勢，從而解釋了 PM6:PYFO-V 體系獲得更高效率的原因。

突破性的效率源于多方面的優化及其他表征手段補充完善研究結果

除了量子效率測量，顏河團隊還采用了一系列先進的表征手段，例如掠入射廣角 X 射線散射 (GIWAXS)、軟 X 射線共振散射 (RSoXS)、時間解析熒光光譜 (TRPL)、瞬態光電流 (TPC) 等，對材料和器件進行深入研究。通過綜合分析這些數據，他們揭示了 PM6:PYFO-V 體系能夠獲得更高效率的原因，包括更快的電荷傳輸、更低的電荷復合率、更平衡的電子和空穴遷移率等。

Time-Resolved Photoluminescence (TRPL) 揭示材料內部的奧秘

Time-Resolved Photoluminescence (TRPL)，即時間解析熒光光譜，是一種研究材料在光激發后發光強度隨時間變化規律的技術。通過測量材料在受到光激發后發光強度的衰減曲線，可以獲取材料內部激子壽命、能量轉移過程、電荷復合等信息。

TRPL 技術可以幫助研究人員了解材料內部的能量轉移和電荷傳輸過程，例如激子在材料中的擴散距離、激子在給體和受體之間的轉移速率、激子在材料中的壽命等。

在顏河團隊的研究中，TRPL 技術被用來研究 PM6:PYFO-V 和 PM6:PYFO-T 兩種體系的激子壽命。結果顯示，PYFO-V 的激子壽命更短，這表明 PYFO-V 中的激子更容易發生解離，并更快地轉化為自由電荷。

雖然 TRPL 不能直接測量激子解離效率，但更短的激子壽命表明 PYFO-V 中激子轉化為自由電荷的效率更高。這與量子效率測量結果相吻合，進一步證明了 PYFO-V 在電荷分離和傳輸方面的優勢。

其他表征手段補充完善研究結果:

除了量子效率測量和 TR-PL 技術，顏河團隊還運用了其他的表征手段來補充完善研究結果。例如：

掠入射廣角 X 射線散射 (GIWAXS) 可以用來研究材料的結晶結構和分子堆積方式，幫助理解材料的形貌和光電特性。

軟 X 射線共振散射 (RSoXS)可以用來研究材料中的相分離結構，幫助理解電荷分離和傳輸的機制。

瞬態光電流 (TPC) 可以用來研究器件中的電荷傳輸和復合過程，幫助優化器件結構和材料選擇。

通過綜合分析這些表征手段獲得的數據，顏河團隊成功地揭示了 PM6:PYFO-V 體系的高效率背后的原因，并為全聚合物室內光伏技術的發展提供了新的思路。

全聚合物室內光伏技術的光明前景

這項研究不僅為全聚合物室內光伏電池的效率帶來了突破，也為該領域的發展提供了新的思路。顏河團隊的研究成果表明，通過精確調控聚合物受體的分子結構和鏈間堆積，可以實現更高效的電荷傳輸和更低的能量損失，從而獲得更高的效率。

未來，全聚合物室內光伏技術將向著更高的效率、更低的成本、更強的穩定性方向發展。量子效率測量技術也將不斷發展，為研究人員提供更準確、更全面、更有效的工具，推動該領域不斷取得突破。

本文參數圖:

Fig. 22_ PYF-T-o 基于全聚合物太陽能電池在單太陽光照條件下的 J-V 特性曲線及其相應的 EQE 光譜。研究了基于 PYF-T-o 的全聚合物太陽能電池的性能，分析其光電轉換效率和外部量子效率。

Fig. S23_ (a) PM6:PYFO-V 和 PM6:PYFO-T 的歸一化電致發光 (EL) 和外部量子效率 (EQE) 光譜，用于準確計算帶隙；(b) EL 量子效率隨電流密度的變化；(c) PM6:PYFO-V 和 PM6:PYFO-T 的總 Eloss 以及其對 ΔE1、ΔE2 和 ΔE3 值的詳細分析。分析了器件的能量損失機制，研究了不同聚合物受體對能量損失的影響。