近年來(lái)，隨著可穿戴電子設(shè)備市場(chǎng)的增長(zhǎng)，對(duì)可穿戴發(fā)電設(shè)備的要求越來(lái)越嚴(yán)格。有機(jī)太陽(yáng)能電池因具有重量輕、設(shè)計(jì)性強(qiáng)和便于加工的特點(diǎn)而成為柔性電源的理想解決方案。然而，相較于目前光電轉(zhuǎn)化效率已超過(guò)19%的剛性有機(jī)太陽(yáng)能電池，柔性有機(jī)太陽(yáng)能電池在光電轉(zhuǎn)化效率以及力學(xué)性能上仍存在不足。因此，開(kāi)發(fā)具有高光電轉(zhuǎn)化效率和高力學(xué)穩(wěn)定性的柔性有機(jī)太陽(yáng)能電池極富挑戰(zhàn)。
近日，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所有機(jī)光電材料與器件團(tuán)隊(duì)提出了將柔性寡聚物受體作為第三組份摻入有機(jī)太陽(yáng)能電池活性層的策略，能夠同時(shí)提高有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率以及機(jī)械性能，為制備高效柔性有機(jī)太陽(yáng)能電池提供了簡(jiǎn)便方法。研究通過(guò)使用不同的柔性橋聯(lián)鏈段，合成了一系列具有不同橋聯(lián)單元和聚合度的寡聚物受體材料（DOY-C2、DOY-C4和TOY-C4）。由于聚合度和橋聯(lián)單元柔性的不同，這些寡聚物受體表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能與堆積行為。同時(shí)，相較于傳統(tǒng)的小分子受體材料N3，柔性寡聚物受體表現(xiàn)出明顯更好的力學(xué)性能。
為探究寡聚物受體作為第三組份對(duì)于有機(jī)太陽(yáng)能電池效率的影響，該研究制備了相應(yīng)的剛性電池器件。研究通過(guò)對(duì)電池各種參數(shù)的表征測(cè)試發(fā)現(xiàn)，寡聚物受體摻入后主要通過(guò)降低有機(jī)太陽(yáng)能電池中的非輻射能量損失進(jìn)而提高電池的開(kāi)路電壓。其中，基于D18：N3：DOY-C4的器件表現(xiàn)出19.01%的剛性光電轉(zhuǎn)化效率和17.91%的柔性光電轉(zhuǎn)化效率。這一柔性效率是目前報(bào)道的柔性有機(jī)太陽(yáng)能電池的最高效率之一。
進(jìn)一步，研究對(duì)活性層材料進(jìn)行拉伸測(cè)試。相較于D18：N3混合膜表現(xiàn)出的7.8%的斷裂拉伸率，摻雜15%寡聚物DOY-C4后的混合膜則表現(xiàn)出接近12%的斷裂拉伸率，同比增長(zhǎng)超過(guò)50%。研究通過(guò)對(duì)不同薄膜拉伸后形貌的分析提出，柔性寡聚物受體能夠與聚合物給體之間形成類(lèi)纏結(jié)的行為，且這種行為導(dǎo)致薄膜力學(xué)性能的顯著增長(zhǎng)。
相關(guān)研究成果以Ductile Oligomeric Acceptor-modified Flexible Organic Solar Cells show Excellent Mechanical Robustness and near 18% Efficiency為題，發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、寧波市重點(diǎn)科技項(xiàng)目與浙江省自然科學(xué)基金的支持。
▲圖1. 聚合物給體D18、小分子受體N3、寡聚物受體材料結(jié)構(gòu)
▲圖2. 電池光電轉(zhuǎn)化效率及相關(guān)參數(shù)表征結(jié)果
▲圖3. 不同薄膜拉伸后斷裂以及拉伸后松弛圖
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