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西安交大科研人員實現聚合物太陽電池的形貌及穩定性的快速預測
發布:Iron_MAN10   時間:2019/8/26 10:30:59   閱讀:311 
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近年來,非富勒烯聚合物太陽能電池以其優異的性能得到了快速進展。然而,面對成千上萬的給體和受體材料,合理選擇相匹配的材料組合,并快速優化及保持給受體共混薄膜的微觀形貌是提高器件能量轉化效率和穩定性的關鍵。然而,長期以來材料組合的選擇、形貌優化過程一直采用大量的重復試驗和低效的盲目試錯。其中的一個重要原因是微觀形貌的精細化表征非常困難,通常需要借助于復雜的同步輻射X射線技術。科研人員巧妙地將差熱式掃描量熱計(DSC)第一次加熱過程中獲得的冷結晶溫度,與X射線技術獲得微觀相分離結構建立了對應關系。該方法極大的簡化了形貌表征和優化的過程,并且為材料組合的選擇及形貌優化的策略提供了明確的方向。
 

 
針對聚合物太陽能電池中材料組合的選擇及形貌優化盲目的問題,西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室馬偉教授課題組的研究人員將高分子物理中的冷結晶溫度這一參數利用到聚合物太陽能電池中。通過差熱式掃描量熱計(DSC)這一簡便普及的測試手段可以得到結晶時的溫度,也就是冷結晶溫度(第一輪加熱)。冷結晶溫度不僅可以描述共混膜中受體材料結晶的難易程度,還能有效反應共混形貌距離熱力學平衡態的距離,也就是高分子物理中常說的淬火深度(quenched depth)。科研人員選取了最具代表性的非富勒烯受體材料ITIC,并與不同結晶性的給體材料共混測量其冷結晶溫度后發現與給體材料結晶性越強,共混膜中ITIC的冷結晶溫度越低。科研人員進一步利用同步輻射X射線形貌表征法,測得不同共混膜的相分離信息,并成功構建了冷結晶溫度與共混相分離程度的線性關系;在高效非富勒烯有機光伏體系中成功實現了快速便捷的形貌檢測。此外冷結晶溫度還與聚合物太陽能電池的性能及熱穩定性構建了一系列聯系。該工作創新地在有機光伏中使用了冷結晶溫度來描述共混膜的相分離狀態,對未來器件形貌優化具有重要的指導意義。

上述研究成果以《聚合物太陽能電池中相分離,性能及穩定性相關的冷結晶溫度》(Cold Crystallization Temperature Correlated Phase Separation, Performance and Stability of Polymer Solar Cells)為題發表在《細胞》Cell出版社全新推出的材料科學期刊《物質》Matter上,該期刊面向報道材料研究的重大進展,同時它也是《細胞》Cell,《焦耳》Joule的姊妹期刊。馬偉教授為本文的通訊作者,研究生辛景明和孟向毅為共同第一作者,西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室為本文的唯一通訊單位。

該工作得到了國家自然科學基金、科技部重點研發計劃,中國科學院長春應用化學研究所聚合物物理與化學國家重點實驗室開放研究基金、美國勞倫斯伯克利國家實驗室先進光源的支持。

文章鏈接:https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30063-3


來源:西安交通大學
 
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