全聚合物太陽能電池(all-PSCs)憑借其出色的穩(wěn)定性和機械耐用性，被認(rèn)為是未來太陽能電池應(yīng)用的重要方向。全聚合物太陽能電池主要由供體和受體兩種有機聚合物材料組成，其基本結(jié)構(gòu)包括以下：

l  透明導(dǎo)電電極： 通常由氧化銦錫（ITO）制成，用于光的透射和電子的導(dǎo)電。

l  電子傳輸層： 提高電子從活性層向電極的傳輸效率。

l  活性層： 由供體和受體材料組成，是光生電荷的主要產(chǎn)生區(qū)域。供體材料吸收光子產(chǎn)生激子（電子-空穴對），激子在受體材料處分離成自由電子和空穴。

l  空穴傳輸層： 提高空穴從活性層向電極的傳輸效率。

l  金屬電極： 通常由銀或鋁制成，用于收集和導(dǎo)出電荷。

近年來，全聚合物太陽能電池的研究發(fā)展迅速：

l  材料發(fā)展: 隨著非富勒烯受體材料的快速發(fā)展，APSCs的光/熱穩(wěn)定性和柔韌拉伸性能顯著提高。

l  轉(zhuǎn)換效率: 研究顯示，聚合物太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率已突破10%，這使其成為一種有競爭力的替代傳統(tǒng)硅基太陽能電池的技術(shù)。

l  機械靈活性: APSCs表現(xiàn)出優(yōu)異的透明性、溶液加工性和機械靈活性，使其在柔性電源系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用前景。

然而，由于其效率長期落后于小分子受體基太陽能電池，限制了其進一步發(fā)展。如何有效平衡并提升開路電壓(Voc)和短路電流密度(Jsc)成為全聚合物太陽能電池領(lǐng)域的一大難題。

近期，香港科技大學(xué)顏河教授團隊在國際頂級期刊 Energy & Environmental Science 上發(fā)表了突破性研究成果， 成功開發(fā)了一種名為PYO-V的新型聚合物受體， 它可以通過調(diào)節(jié)分子結(jié)構(gòu)， 實現(xiàn)更寬的光譜吸收和更高的能量級， 從而有效提升了全聚合物太陽能電池的性能， 并實現(xiàn)了高效的多功能光伏應(yīng)用。

顏河教授是香港科技大學(xué)化學(xué)系教授，長期致力于有機光伏材料與器件方面的研究， 在國際著名期刊發(fā)表了200余篇高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文。 他的團隊致力于突破現(xiàn)有全聚合物太陽能電池的技術(shù)瓶頸， 為下一代高效穩(wěn)定的光伏器件的開發(fā)提供新的思路和方向。

【突破性設(shè)計：巧妙調(diào)節(jié)分子結(jié)構(gòu)，提升光伏性能】

研究團隊針對目前全聚合物太陽能電池中開路電壓 (VOC) 和短路電流密度 (JSC)難以兼得的難題，巧妙設(shè)計并合成了一種新型的聚合物受體PYO-V。 該分子通過在外部噻吩單元的 β 位置引入烷氧基側(cè)鏈， 實現(xiàn)了能級上移和吸收藍(lán)移。

PYO-V 的優(yōu)勢：

l  更寬的光譜吸收范圍: PYO-V 能夠有效吸收更多光能， 顯著提升光電流。

l  更優(yōu)異的分子排列: 烷氧基側(cè)鏈的存在， 可以有效提升聚合物材料的分子排列， 從而促進載流子的傳輸和分離， 減少復(fù)合損失， 提升器件的效率。

l  更高的開路電壓: PYO-V 擁有更高能量級， 有效降低了太陽能電池的電壓損失， 從而提高了器件的開路電壓。

l  多功能的應(yīng)用: PYO-V 同時具有戶外和室內(nèi)應(yīng)用的潛力， 可以在不同的光照環(huán)境下表現(xiàn)出高效的光伏特性。

【突破效率極限，打造更穩(wěn)定的全聚合物太陽能電池】

研究人員通過將 PYO-V 引入到 PM6:PY-V-γ 主體系統(tǒng)中， 實現(xiàn)了對光譜吸收的有效補充。 最終， 他們成功制備出了基于 PM6:PY-V-γ:PYO-V 的三元全聚合物太陽能電池， 器件效率高達(dá)18.5%， 成為目前報道的所有使用開路電壓超過0.93 V的全聚合物太陽能電池中的新紀(jì)錄。

為了準(zhǔn)確地測試太陽能電池器件的性能， 研究團隊使用了 光焱科技的 SS-X AM1.5G太陽光仿真器 和 QE-R PV/太陽能電池量子效率光學(xué)儀 。 SS-X 太陽光模擬器為研究人員提供了精準(zhǔn)模擬太陽光的環(huán)境， 而 QE-R 則可以幫助研究人員分析太陽能電池在不同波長范圍的光電轉(zhuǎn)化效率， 從而為器件設(shè)計和性能優(yōu)化提供重要參考數(shù)據(jù)。

突破傳統(tǒng)束縛，全聚合物太陽能電池的未來充滿希望

該研究結(jié)果表明， 通過合理的設(shè)計和分子調(diào)控， 全聚合物太陽能電池可以獲得與小分子受體基太陽能電池相當(dāng)甚至更高的效率。 未來， 研究團隊將進一步優(yōu)化全聚合物太陽能電池的性能， 使其在實際應(yīng)用中發(fā)揮更大的作用。

【總結(jié)】

顏河教授團隊通過開發(fā)具有更寬光譜吸收和更高能級的聚合物受體 PYO-V， 突破了傳統(tǒng)全聚合物太陽能電池的效率瓶頸， 實現(xiàn)了更高效率和更穩(wěn)定性能的多功能全聚合物太陽能電池。 這項研究成果為開發(fā)未來高效穩(wěn)定的全聚合物太陽能電池提供了重要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)參考。

重要技術(shù)參數(shù)：

全聚合物太陽能電池效率： 18.5%

關(guān)鍵材料： PYO-V

關(guān)鍵技術(shù)： 分子調(diào)控策略

關(guān)鍵設(shè)備： 光焱科技的 SS-X AM1.5G太陽光仿真器 和 QE-R PV/太陽能電池量子效率光學(xué)儀

香港科技大學(xué)_顏河教授

顏河教授是香港科技大學(xué)化學(xué)系教授，其團隊主要專注于新型有機光伏材料的研發(fā)， 包括高性能聚合物供體材料、受體材料，以及新的器件設(shè)計。 他們的研究目標(biāo)是開發(fā)出效率更高、更穩(wěn)定、成本更低的光伏器件， 推動再生能源技術(shù)的進步。 顏教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊已在國際著名期刊上發(fā)表了200余篇高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文， 并在有機光伏領(lǐng)域取得了重大成果。

課題組主要研究方向

I.    有機光伏材料與器件：

研究新型有機光伏材料的合成與性能優(yōu)化。

探索高效能有機太陽能電池的制備技術(shù)及其應(yīng)用。

II.   全聚合物太陽能電池：

開發(fā)高效能的全聚合物太陽能電池材料。

研究全聚合物太陽能電池的結(jié)構(gòu)與機理，提升其光電轉(zhuǎn)換效率。

III. 柔性與可印刷電子器件：

研究柔性電子材料及其在可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用。

探討可印刷電子器件的制備工藝及其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

IV.   光電功能材料：

研發(fā)具有優(yōu)異光電性能的新型功能材料。

研究光電材料在光電探測、光催化等方面的應(yīng)用。

參考文獻

An efficient alkoxy-substituted polymer acceptor for efficient all-polymer solar cells with low voltage loss and versatile photovoltaic applications_ Energy Environ. Sci., 2024

【本研究參數(shù)圖】

Fig 1.  （a） PM6（聚合物供體）、PY-V-γ（深色聚合物受體）和PYO-V（熱致變色聚合物受體）的化學(xué)結(jié)構(gòu)。（b） PM6、PY-V-γ、PYO-V 和 PY-V-γ：PYO-V 薄膜和 （c） PM6：PY-V-γ、PM6：PYO-V 和 PM6： PY-V-γ：PYO-V 溷合薄膜的歸一化紫外-可見吸收光譜。（d） 所有PSC中材料的能量對齊。

Fig 2. （a） J-V特性和（b）外部量子效率（EQE）光譜和（c）三種類型的全PSC的暗J-V曲線。（d） PY-V-γ、PYO-V、PY-V-γ：PYO-V純薄膜和PM6：PY-V-γ、PM6：PYO-V和PY-V-γ：PYO-V共溷薄膜的TR-PL衰減曲線。泵浦和探頭波長為 750 nm。（e） 四種全聚合物器件的 TPC 和 （f） TPV 光譜。

Fig S14.(a) 基于 PM6:PYF-T-o、PM6:PYO-V 和 PM6:PYF-T-o:PYO-V。(c) 基于 PM6:PYF-T-o、PM6:PYO-V 和 PM6:PYF-T-o:PYO-V 的器件的 EQE 曲線。

上述研究數(shù)據(jù)來自光焱科技 _ QE-R 光伏/太陽能電池 EQE 完整解決方案

推薦設(shè)備

1.     QE-R_光伏 / 太陽能電池量子效率測量解決方案
具有以下特色優(yōu)勢：

l   高精度: QE-R 系統(tǒng)采用高精度光譜儀和校準(zhǔn)光源，確保 EQE 測量的準(zhǔn)確性和可靠性。

l   寬光譜范圍:QE-R 系統(tǒng)的光譜范圍覆蓋紫外到近紅外區(qū)域，適用于各種光伏材料和器件的 EQE 測量。

l   快速測量:QE-R 系統(tǒng)具有快速掃描和數(shù)據(jù)采集功能，能夠高效地進行 EQE 光譜測量。

l   易于操作:QE-R 系統(tǒng)軟件界面友好，操作簡單方便，即使是初學(xué)者也能輕松上手。

l   多功能:QE-R 系統(tǒng)不僅可以進行 EQE 測量，還可以進行反射率、透射率等光學(xué)特性的測量，具有多功能性。

2. SS-X系列集成式解決方案 AM1.5G 標(biāo)準(zhǔn)光譜太陽光模擬器+ 軟件: IVS-KA6000 + IVS-KA-Viewer

AM1.5G 標(biāo)準(zhǔn)光譜太陽光模擬器

• A+ 光譜：接近 AM1.5G 標(biāo)準(zhǔn)光譜

• A+ 輻照度的時間不穩(wěn)定性

• SS-IRIS：自主研發(fā)技術(shù)自動光強操控

• 適合與手套箱集成的輸出光束方向

IVS-KA6000：IV測量軟件 所有 SS-X 系列太陽光模擬器都可以通過 IVS-KA6000 軟件進行控制，該軟件是 IV 測量軟件，可用于準(zhǔn)確的 PV 表征。不僅是光閘，輸出光輻照度也可以通過 IVS-KA6000 IV 軟件進行操控，幫助用戶輕松完成不同光強下復(fù)雜的 IV 測試或 Sun- Voc測試。來自 IVS-KA6000 的所有 IV 數(shù)據(jù)都可以通過 IVS-KA-Viewer 讀取和分析，這是另一款多功能分析軟件。

KA-Viewer IV 分析軟件 可以大幅縮短用戶的數(shù)據(jù)處理時間，并可加快整體工藝改進研發(fā)的時程。

文獻參考自 Energy Environ. Sci., 2024,_ DOI:10.1039/D4EE01804D

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