全聚合物太陽(yáng)能電池(all-PSCs)憑借其出色的穩(wěn)定性和機(jī)械耐用性,，被認(rèn)為是未來(lái)太陽(yáng)能電池應(yīng)用的重要方向,。全聚合物太陽(yáng)能電池主要由供體和受體兩種有機(jī)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(duì)），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(lái),，全聚合物太陽(yáng)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(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率已突破10%，這使其成為一種有競(jìng)爭(zhēng)力的替代傳統(tǒng)硅基太陽(yáng)能電池的技術(shù),。
l 機(jī)械靈活性: APSCs表現(xiàn)出優(yōu)異的透明性,、溶液加工性和機(jī)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(zhǎng)期落后于小分子受體基太陽(yáng)能電池，限制了其進(jìn)一步發(fā)展,。如何有效平衡并提升開(kāi)路電壓(Voc)和短路電流密度(Jsc)成為全聚合物太陽(yáng)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(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂級(jí)期刊 Energy & Environmental Science 上發(fā)表了突破性研究成果,， 成功開(kāi)發(fā)了一種名為PYO-V的新型聚合物受體， 它可以通過(guò)調(diào)節(jié)分子結(jié)構(gòu),， 實(shí)現(xiàn)更寬的光譜吸收和更高的能量級(jí),， 從而有效提升了全聚合物太陽(yáng)能電池的性能， 并實(shí)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(zhǎng)期致力于有機(jī)光伏材料與器件方面的研究， 在國(guó)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(tuán)隊(duì)致力于突破現(xiàn)有全聚合物太陽(yáng)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(kāi)發(fā)提供新的思路和方向。
【突破性設(shè)計(jì)：巧妙調(diào)節(jié)分子結(jié)構(gòu)，提升光伏性能】
研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)目前全聚合物太陽(yáng)能電池中開(kāi)路電壓 (VOC) 和短路電流密度 (JSC)難以兼得的難題,，巧妙設(shè)計(jì)并合成了一種新型的聚合物受體PYO-V,。 該分子通過(guò)在外部噻吩單元的 β 位置引入烷氧基側(cè)鏈， 實(shí)現(xiàn)了能級(jí)上移和吸收藍(lán)移,。
PYO-V 的優(yōu)勢(shì)：
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(jìn)載流子的傳輸和分離， 減少?gòu)?fù)合損失,， 提升器件的效率,。
l 更高的開(kāi)路電壓: PYO-V 擁有更高能量級(jí)， 有效降低了太陽(yáng)能電池的電壓損失,， 從而提高了器件的開(kāi)路電壓,。
l 多功能的應(yīng)用: PYO-V 同時(shí)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(yáng)能電池】
研究人員通過(guò)將 PYO-V 引入到 PM6:PY-V-γ 主體系統(tǒng)中， 實(shí)現(xiàn)了對(duì)光譜吸收的有效補(bǔ)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(yáng)能電池， 器件效率高達(dá)18.5%,， 成為目前報(bào)道的所有使用開(kāi)路電壓超過(guò)0.93 V的全聚合物太陽(yáng)能電池中的新紀(jì)錄,。
為了準(zhǔn)確地測(cè)試太陽(yáng)能電池器件的性能， 研究團(tuán)隊(duì)使用了 光焱科技的 SS-X AM1.5G太陽(yáng)光仿真器 和 QE-R PV/太陽(yáng)能電池量子效率光學(xué)儀 ,。 SS-X 太陽(yáng)光模擬器為研究人員提供了精準(zhǔn)模擬太陽(yáng)光的環(huán)境,， 而 QE-R 則可以幫助研究人員分析太陽(yáng)能電池在不同波長(zhǎng)范圍的光電轉(zhuǎn)化效率， 從而為器件設(shè)計(jì)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(yáng)能電池的未來(lái)充滿希望
該研究結(jié)果表明， 通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和分子調(diào)控,， 全聚合物太陽(yáng)能電池可以獲得與小分子受體基太陽(yáng)能電池相當(dāng)甚至更高的效率,。 未來(lái)， 研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步優(yōu)化全聚合物太陽(yáng)能電池的性能,， 使其在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮更大的作用,。
【總結(jié)】
顏河教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)開(kāi)發(fā)具有更寬光譜吸收和更高能級(jí)的聚合物受體 PYO-V， 突破了傳統(tǒng)全聚合物太陽(yáng)能電池的效率瓶頸,， 實(shí)現(xiàn)了更高效率和更穩(wěn)定性能的多功能全聚合物太陽(yáng)能電池,。 這項(xiàng)研究成果為開(kāi)發(fā)未來(lái)高效穩(wěn)定的全聚合物太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)光仿真器 和 QE-R PV/太陽(yáng)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(tuán)隊(duì)主要專注于新型有機(jī)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(jì),。 他們的研究目標(biāo)是開(kāi)發(fā)出效率更高,、更穩(wěn)定、成本更低的光伏器件,， 推動(dòng)再生能源技術(shù)的進(jìn)步,。 顏教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)已在國(guó)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(jī)光伏領(lǐng)域取得了重大成果,。
課題組主要研究方向
I. 有機(jī)光伏材料與器件：
研究新型有機(jī)光伏材料的合成與性能優(yōu)化,。
探索高效能有機(jī)太陽(yáng)能電池的制備技術(shù)及其應(yīng)用。
II. 全聚合物太陽(yáng)能電池：
開(kāi)發(fā)高效能的全聚合物太陽(yáng)能電池材料,。
研究全聚合物太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)與機(jī)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(cè),、光催化等方面的應(yīng)用,。
參考文獻(xiàn)
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(jiàn)吸收光譜,。（d） 所有PSC中材料的能量對(duì)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(zhǎng)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(lái)自光焱科技 _ QE-R 光伏/太陽(yáng)能電池 EQE 完整解決方案
推薦設(shè)備
1. QE-R_光伏 / 太陽(yáng)能電池量子效率測(cè)量解決方案
具有以下特色優(yōu)勢(shì)：
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(cè)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(cè)量。
l 快速測(cè)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(jìn)行 EQE 光譜測(cè)量,。
l 易于操作:QE-R 系統(tǒng)軟件界面友好，操作簡(jiǎn)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(jìn)行 EQE 測(cè)量，還可以進(jìn)行反射率,、透射率等光學(xué)特性的測(cè)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(yáng)光模擬器+ 軟件: IVS-KA6000 + IVS-KA-Viewer
AM1.5G 標(biāo)準(zhǔn)光譜太陽(yáng)光模擬器
A+ 光譜：接近 AM1.5G 標(biāo)準(zhǔn)光譜
A+ 輻照度的時(shí)間不穩(wěn)定性
SS-IRIS：自主研發(fā)技術(shù)自動(dòng)光強(qiáng)操控
適合與手套箱集成的輸出光束方向
IVS-KA6000：IV測(cè)量軟件 所有 SS-X 系列太陽(yáng)光模擬器都可以通過(guò) IVS-KA6000 軟件進(jìn)行控制,，該軟件是 IV 測(cè)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(guò) IVS-KA6000 IV 軟件進(jìn)行操控,，幫助用戶輕松完成不同光強(qiáng)下復(fù)雜的 IV 測(cè)試或 Sun- Voc測(cè)試。來(lái)自 IVS-KA6000 的所有 IV 數(shù)據(jù)都可以通過(guò) 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(shí)間，并可加快整體工藝改進(jìn)研發(fā)的時(shí)程,。
文獻(xiàn)參考自 Energy Environ. Sci., 2024,_ DOI:10.1039/D4EE01804D
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