有机太阳能电池热稳定性差？来点聚合物受体试试！

:溶液处理的有机太阳能电池（OSC）由于其质轻、柔性好、色彩丰富且易于制造等优点而备受关注，特别是近年来非富勒烯受体材料（NFA）已成功应用于高性能OSC，在提高电池效率方面取得了巨大成就，功率转换效率（PCE）超过17％。

（来源：微信公众号“高分子科学前沿”ID：Polymer-science）

然而，溶液处理OSC的商业化受到其固有的热稳定性低的限制，由于这些在标准条件下运行的设备会受到长期阳光照射而产生明显加热，因此太阳能电池板的实际工作温度可能高达50至70℃，某些地区甚至达到100℃，因此，亟需找到有效的方法和策略来提高太阳能电池的热稳定性，以满足实际户外应用的需求。

近期，武汉大学的闵杰研究员设计并合成了新的非富勒烯受体BTTT-2Cl，并报告了一种热稳定的本体异质结光伏系统。通过在PM6：BTTT-2Cl活性层中添加光伏聚合物受体PZ1进行进一步改进，结果显示出15.10％的高转换效率，并极大地提高了热稳定性，这种聚合物掺杂共混物显示出超长的使用寿命，在150℃的加速老化试验中超过800h仍然保持极高的效率；进一步的降解行为分析表明该系统在外太空应用中具有广阔的前景；并通过在其他光伏系统中使用聚合物受体作为双功能添加剂，证实了这种聚合物掺杂策略的通用性。

材料结构和特性

图1a显示了研究人员合成的NFA材料BTTT-2Cl、受体添加剂PZ1及聚合物供体PM6的化学结构；从图1b的紫外光谱可以看出，PM6：BTTT-2Cl共混物的吸收最大值出现蓝移，添加1 wt％PZ1使峰强度明显增加，并出现轻微的红移，表明纳米级域中分子的有序排列和π-π相互作用的不断增加。

图1c的能级结果表明，PM6：BTTT-2Cl的结合有利于BHJ共混体系中激子的解离，PM6：BTTT-2Cl共混物的光致发光强度随着PZ1的加入而增大，表明PM6与BTTT-2Cl之间的界面面积减小了。通过AFM和2D-GIWAXS观察到了这种变化的混合物形态，结果如图1d所示，掺有1 wt％PZ1的混合物显示出更大的相互连接区域。

图1.材料的化学结构及表征

OSC的热稳定性

研究人员用常规结构制造光伏器件，并分别在110°C和150°C温度下对PM6：BTTT-2Cl共混物进行热稳定性测试。

结果如图2a所示，在150℃持续加热24h和110℃持续加热120h后，未掺杂PZ1的效率分别损失了52％和65％；而相同条件下掺杂1 w％PZ1的共混物表现出优异的热稳定性，在110°C和150°C加热800h后仅表现出5％和12％的效率损失。此外，图2b显示添加不同重量比PZ1在48h之后，系统的PCE均保持在88-97％。这些结果均表明掺杂PZ1的PM6：BTTT-2Cl在高温下具有超高的热稳定性。

图2.OSC的热稳定性测试

模拟OSC在外太空中的应用

随后，研究人员进一步评估了PZ1掺杂的PM6:BTTT-2Cl在模拟月球、近地轨道卫星和火星空间环境的长期热循环稳定性。结果如图3所示，经多次热循环后，设备的功率转换效率的始终保持在90％以上，掺PZ1的共混物在短时间的热循环内没有明显的降解行为。表明PZ1掺杂的PM6：BTTT-2Cl光伏系统具有在极端环境下以及温度交替变化的恶劣条件下应用的潜力。

图3.光伏器件的热循环稳定性和理论效率

PZ1掺杂策略的通用性

最后，研究人员研究了PZ1掺杂于图4a所示的其他四个光伏系统的热稳定性，用于证明该掺杂策略的通用性。

结果如图4b所示，在150°C下加热48h后，添加不同含量PZ1的四个系统均显示出改善的热稳定性能，尤其是添加质量比1%的PZ1时PCE下降幅度最小。表明PZ1的添加改善了这些非富勒烯和富勒烯基共混物的热稳定性，进一步证明了这种PZ1掺杂策略的良好通用性。

图4.光伏系统的化学结构和热稳定性测试

在本篇文章中，研究人员开发了一种PZ1掺杂的PM6：BTTT-2Cl光伏系统，该系统具有良好的转换效率和出色的热稳定性，具有在室外和太空中广泛应用的潜力。这项工作为太阳能电池的工业应用领域提供了一种聚合物掺杂策略，以开发高效且热稳定的有机光伏系统。我们相信，这项技术将来可用于改善OSC的光伏性能并促进其商业应用。

原标题:有机太阳能电池热稳定性差？来点聚合物受体试试！