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加快打造原始創(chuàng)新策源地,加快突破關(guān)鍵核心技術(shù),努力搶占科技制高點(diǎn),為把我國(guó)建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國(guó)作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康,率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展,率先建成國(guó)家創(chuàng)新人才高地,率先建成國(guó)家高水平科技智庫(kù),率先建設(shè)國(guó)際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國(guó)科學(xué)院辦院方針

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刮涂全聚合物太陽(yáng)能電池研究取得進(jìn)展

2025-07-02 上海高等研究院
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語(yǔ)音播報(bào)

全聚合物太陽(yáng)能電池具有優(yōu)異柔韌性、溶液加工性和熱穩(wěn)定性等特點(diǎn),在可穿戴、可拉伸設(shè)備的輕量、大面積印刷應(yīng)用方面具有廣闊前景?;钚詫有蚊矁?yōu)化特別是調(diào)控給體結(jié)晶與相分離是其關(guān)鍵,但溶劑蒸汽退火等后處理過(guò)程的實(shí)時(shí)形貌演變機(jī)制尚不清晰。

中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院研究員楊春明等,基于上海光源小角散射線站,建立了有機(jī)太陽(yáng)能電池原位掠入射X射線散射研究平臺(tái)??蒲腥藛T利用同步輻射掠入射廣角X射線散射(GIWAXS)和原位紫外-可見(jiàn)光譜?(UV-vis),結(jié)合掠入射小角X射線散射技術(shù)(GISAXS),實(shí)時(shí)追蹤了刮涂法制備的PM6: PY-IT全聚合物電池活性層在溶劑蒸汽退火過(guò)程中的動(dòng)態(tài)形貌變化,揭示了溶劑蒸汽退火調(diào)控全聚合物共混薄膜形態(tài)的溶脹-再結(jié)晶-重排三階段機(jī)制及其與性能的關(guān)聯(lián)。

UV-vis結(jié)果顯示,在飽和蒸氣壓高、溶解度低的非極性溶劑二硫化碳蒸汽作用下,PY-IT吸收峰出現(xiàn)紅移;而在飽和蒸氣壓低、溶解度高的極性溶劑氯仿(CF)蒸汽作用下,該峰則出現(xiàn)藍(lán)移。這表明,極性溶劑對(duì)聚合物受體(PY-IT)的影響更顯著,誘導(dǎo)其分子鏈構(gòu)象變化,形成更致密的空穴傳輸層,從而提升空穴傳輸效率。GIWAXS分析確認(rèn),溶劑蒸汽退火過(guò)程包含溶劑溶脹、再結(jié)晶和分子重排三個(gè)特征階段。適度的溶劑蒸汽退火時(shí)間有助于穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出晶格間距減小、載流子遷移率增加以及相分離尺寸優(yōu)化,能夠提升器件的光電轉(zhuǎn)換效率。研究顯示,過(guò)度的溶劑蒸汽退火可能導(dǎo)致分子重排階段晶體重新膨脹,不利于性能提升,但熱退火(TA)預(yù)處理可抑制這種不良膨脹。進(jìn)一步,研究通過(guò)GISAXS,在介觀尺度水平上研究納米級(jí)相分離行為發(fā)現(xiàn),TA+CF溶劑蒸汽退火組合處理的薄膜展現(xiàn)出最優(yōu)的形貌特征,包括最大的給體相干長(zhǎng)度、最大的受體聚集相尺寸、最高的受體分形維數(shù)及最大的受體相干長(zhǎng)度。熱退火預(yù)處理誘導(dǎo)的PY-IT聚集體尺寸增大,是實(shí)現(xiàn)適度結(jié)晶度和理想相分離的關(guān)鍵,有助于促進(jìn)電荷分離與傳輸。

上述研究闡明了極性溶劑溶劑蒸汽退火主要優(yōu)化分子堆積,而非極性溶劑溶劑蒸汽退火更傾向于促進(jìn)相分離,這為高性能刮涂器件提供了工藝-材料協(xié)同優(yōu)化策略。同時(shí),這一成果為后續(xù)探索多溶劑協(xié)同退火、動(dòng)態(tài)過(guò)程的精準(zhǔn)調(diào)控以及發(fā)展環(huán)境友好的綠色工藝奠定了基礎(chǔ),有望推動(dòng)大面積柔性全聚合物太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)科學(xué)》(Advanced Science)上。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等的支持。該工作由上海高研院、太原科技大學(xué)和香港理工大學(xué)合作完成。

論文鏈接

刮涂全聚合物太陽(yáng)能電池溶劑蒸汽退火過(guò)程中(a)原位GIWAXS和UV-vis同時(shí)測(cè)量示意圖,(b)采用不同溶劑蒸汽退火處理的微觀形貌演變示意圖。

打印 責(zé)任編輯:侯茜

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