有機太陽能電池（OSCs）因其在柔性和可穿戴光伏設備制造中的低成本溶液加工方法而備受關注。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穩定性，在柔性設備領域顯示出巨大潛力。然而，早期用于all-PSCs的聚合物受體在近紅外區域的吸收能力較弱，且分子堆積不理想，限制了其進一步發展。為了克服這些挑戰，提高功率轉換效率（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）作為關鍵構建模塊。PSMAs不僅具有低帶隙和強吸收的優點，還具有適合的分子堆積和較小的激子結合能，這些特性促使all-PSCs的PCE超過了17%。盡管PSMAs在all-PSCs的發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，并實現更低的擴散特性，需要開發具有精確定義結構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，并用于系統地研究亞基數量對受體結構和性能的影響。基于這些受體的器件中，TY基膜顯示出適當的給體/受體相分離，更高的電荷轉移態產率和更長的電荷轉移態壽命。結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合特性，基于TY的器件實現了16.32%的最高PCE。發表于Nature Communications的結果不僅表明GMAs中的亞基數量對其光伏性能有顯著影響，而且還證明了通過GMAs的結構多樣化，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定的有機太陽能電池應用至關重要。
(原文獻來自: DOI:10.1038/s41467-023-43846-3)
研究程序說明及各表征設備應用
本研究的研究程序涉及一系列復雜的步驟，概括如下：
1. 合成設計與化學合成
l 設計具特定結構的目標化合物，預計用作電子受體材料。
l 使用特定前體材料及反應條件（溶劑、催化劑、溫度）進行化學合成。
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）和質譜（HRMS）進行結構和純度的表征
n 使用設備: 核磁共振（NMR）光譜儀及質譜儀
3. 材料合成與結構分析
l 合成YDT、DY、TY、QY和PY-IT化合物，并進行結構分析。
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. 光電化學性質與載流子表征
l 記錄溶液和薄膜的UV-Vis光譜，進行電化學循環伏安法測量，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，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 使用設備:: 電化學工作站、時間分辨光致熒光光譜儀、空間電荷限制電流（SCLC）測量設備
5. 太陽能電池制作與測試
l 采用ITO/PEDOT/活性層/PDINN/Ag傳統結構制作太陽能電池。
l 旋轉涂布法沉積活性層，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 使用設備:: 太陽能模擬器、外量子效率（EQE）測量系統和(FTPS-EQE)測量系統
基于PM6：受體的相應OSC的最佳EQE曲線。五種受體基礎設備之間的比較。
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性的量子效率參數，還能通過軟件的配合，實現高效的ΔΕ1量測模式。此外，REPS和FTPS設備專門針對ΔE2和ΔE3的Voc耗損進行必要的參數分析。光焱科技的完整Voc耗損分析系統可將上述設備的數據直接執行導入與導出，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鍵參數，并降低了程序負荷和人為計算錯誤的風險。
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. 瞬態吸收與形態學表征
l 使用再生放大鈦：藍寶石激光系統和Helios泵-探針系統研究薄膜激發態和結晶度表征。
l 表面形態學分析，研究材料的分子堆棧和形態特征。
n 使用設備: 飛秒瞬態吸收光譜儀和光誘導力顯微鏡（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。以下統整了團隊成功于此研究發表的各項研究成果:
克服材料合成困難：研究團隊開發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亞基的復雜GMAs的困難。
理解結構-性能關系：通過系統地研究具有不同數量SMA亞基的GMAs，研究人員能夠更深入地理解從SMAs到PSMAs的結構-性能關系。
光伏性能提升：研究發現，TY基的OSC裝置由于其適當的相分離、更高的電荷轉移態產率和壽命以及最高的電子遷移率，展現出最佳的功率轉換效率（PCE）。
熱穩定性改善：研究表明，GMAs中較大的分子大小導致較低的分子擴散系數，從而提高了對應器件的熱穩定性。
加強器件穩定性：通過比較YDT、TY和PY-IT基OSCs的長期儲存穩定性，研究發現較大分子大小的受體有助于提高形態穩定性。
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。特別是在形態學控制方面，研究揭示了精確的相分離控制對于實現最佳OSC性能的重要性，這也為未來的優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，也為實際應用中提升器件穩定性和性能提供了可靠的技術支持，具有重要的科學研究參考價值。
推薦設備
FTPS
QE-R
REPS
文獻參考自Nature Communications.2024_ DOI: 10.1038/s41467-023-43846-3
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