導讀目錄
1. 有機光伏的研究進程與挑戰
2. 研究動機解析
3. 研究手法與表征設備的運用
4. 有機光伏的強力生力軍_DP3:L8-BO
有機光伏的研究進程與挑戰
近年來，有機光伏（OPV）因其低毒性、輕質、柔性和大面積加工能力而備受關注，該技術取得了顯著進步，特別是在效率、穩定性和成本方面，為單結器件帶來了積極變化。然而，有機光伏OPV材料在實際應用中仍面臨挑戰，尤其是溶液可加工性問題。武漢大學閔杰團隊于 最新一期的Advanced Materials中介紹了一種新型高效聚合物給體材料DP3，其特點是包含富電子的苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩單元和兩個簡單的受體單元。DP3旨在增強分子間相互作用并優化塊狀異質結的微結構。DP3系統在功率轉換效率（PCE）方面表現出色，最高可達19.12%，并且在不同條件下的器件效率均超過18%，展現了其在商業應用中的潛力。
研究動機解析
過去的十年中，窄帶隙小分子受體（SMAs）和聚合SMAs（PSMAs）的研究取得了長足進展，這些材料與寬帶隙聚合物供體（PDs）相匹配，提高了短路電流密度和填充因子，同時減少了電壓損失。新興的A-DA′D-A型SMAs將OPVs的PCE提升至15-20%的新水平。除了高效率，OPV應用還需要良好的長期穩定性，目前已有一些系統如PY-IT、PY2F-T和OY3等展現出穩定性，T80值超過10,000小時。隨著成本成為關注的焦點，研究者們開始合成簡單結構的PDs和非融合環SMAs，這些材料在設備性能方面顯示出良好前景。
盡管OPV技術在效率、穩定性和成本方面取得了顯著進展，但解決方案可加工性仍是亟待解決的問題。工業應用需要一套完整的關鍵性能指標（KPIs），包括分子量不敏感性、活性層厚度不敏感性、與環保溶劑的兼容性、高速加工能力和克服縮放滯后的能力。目前，只有少數系統在這些方面表現出色。我們的研究通過設計新型寬帶隙聚合物供體PDs，特別是DP3。
以下整理出研究團隊所面臨到的痛點說明本研究旨在解決:
解決方案可加工性（Solution Processability）: OPV材料在實際應用中需要能夠在各種條件下（如不同分子量、混合厚度和涂布速度）保持高效率。因此，研究需要開發出對這些變量不敏感的材料，以確保制程的一致性和可擴展性。
功率轉換效率（Power Conversion Efficiency, PCE）: 雖然OPV材料在效率方面取得了進步，但仍需進一步提升PCE以達到商業應用的要求。研究目標是開發出具有更高PCE的材料，以提高太陽能轉換的效率。
長期穩定性（Long-term Stability）: OPV系統需要在長時間使用后仍能保持高效率。研究需要確保開發的材料具有良好的運行穩定性，以延長設備的使用壽命。
成本（Cost）: OPV材料的成本是商業化的重要因素。研究需要合成成本效益高的材料，以降低太陽能發電的整體成本。
環境影響（Environmental Impact）: 使用環保溶劑進行加工是OPV技術商業化的重要方面。研究需要開發出與非有害溶劑兼容的材料，以減少對環境的影響。
大面積模塊生產（Large-area Module Production）: 在從實驗室規模轉向大面積生產時，常常會遇到效率降低的問題。研究需要開發出能夠在縮放過程中保持高效率的材料，以實現商業規模的生產。
研究手法與表征設備的運用
在研究過程中，研究者通過偶聯反應合成了DP1、DP2、DP3和DP4等聚合物給體材料。合成的聚合物材料經過一系列表征技術，如: 核磁共振（NMR）光譜、紫外-可見吸收光譜（UV-vis）、循環伏安法（CV）等設備進行分析，以確定其化學結構和物理性質。
薄膜制備與表征的階段，則使用旋轉涂覆、刮刀涂覆或印刷技術制備活性層薄膜。其中使用了原子力顯微鏡（AFM）和X射線散射技術，如Grazing incidence wide-angle X-ray scattering（GIWAXS）提供了有關材料在薄膜狀態下的微觀結構信息，對于理解材料的電荷傳輸特性和光伏性能非常重要。
另外接續，
1. 太陽能電池裝置制備與測試：
o 將制備的活性層薄膜與其他層（如電子/空穴傳輸層、電極等）結合，組裝成完整的太陽能電池裝置。
o 在標準測試條件下（AM 1.5G，100 mW/cm2）使用太陽能仿真器進行光電流密度-電壓（J-V）測量，以評估太陽能電池的性能參數，如開路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）、填充因子（FF）和功率轉換效率（PCE）。
2. 進行外量子效率（EQE）測量，以評估太陽能電池在不同波長下的光電轉換效率。
此表征量測采用光焱科技之 QE-R外量子效率量測解決方案，有效為研究提供了精準的數據外，也因為配置了光焱科技所研發的軟件，進行量測前的設定后，再更有效率地進行多項器件的量測。
突破性解決方案：QE-R SPOT-V光斑定位系統，操作人員能夠在屏幕上透過實時影像，觀測光斑的精確位置，并且在數秒內完成精確對位。
3. 穩定性測試：
o 在特定的環境條件下（如溫度、濕度、光照等）對太陽能電池進行長期穩定性測試，以評估其壽命和性能衰退。
此表征量測采用光焱科技之SS-X160R AM1.5G太陽光仿真器，為邁向大光斑研究的走向，提供了一套完整的解決方案。光焱科技的設備制造過程受ISO17025之嚴格把關，致力提供讓研究人員精準且快速量測的表征設備。
SS-X系列新研發EDGS塵護盾，為多數課題組帶來了設備維護新觀點。
4. 理論計算與模擬：
o 可能使用量子化學計算或分子動力學仿真來預測材料的電子結構、能級對齊和分子間相互作用。
5. 數據分析與比較：
o 對不同條件下的測試數據進行統計分析，如不同分子量、薄膜厚度和涂布速度下的性能比較。
o 與其他已知材料的性能進行對比分析，以評估新材料的優勢和潛力。
有機光伏的強力生力軍_DP3:L8-BO
研究人員成功開發了具有簡單受體單元的聚合物供體DP1和DP3。與模板DP1相比，隨機共聚物DP3在溶液和薄膜狀態下表現出更強的聚集性，更合適的物理動態和相分離，該材料具有更好的溶液可加工性。從而提高了器件性能。
此外，
1. DP3系統在功率轉換效率（PCE）方面取得了19.12%的最高記錄
2. 在不同分子量、混合厚度和涂布速度下均保持了超過18%的效率。
3. 制備了小面積（0.029 cm2）和大面積（15.40 cm2）的太陽能模塊，并測得其PCE分別為18.65%和15.53%。
4. 在高速涂布和非鹵化溶劑處理方面表現出優于其他商業化材料的性能和效率，并且與多種受體材料兼容。
相較于比DP1器件以及引用的其他商業化材料PM6和D18要好得多
5. 光穩定性測試中，DP3系統表現出穩定性，經過200小時連續光照后仍能保持86.13%的初始PCE
由本研究的發表可得知研究團隊嘗試以創新的材料進行有機光伏器見的優化，并在上述各項的論證結果當中，進一步證明了DP3材料的廣泛應用潛力外，亦展現了其在工業生產中的強大潛力，為下一代OPV材料的開發和評估提供了重要的參考，并為實現工業化目標奠定了堅實的基礎。
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1. SS-X系列
2. QE-R系列
文獻參考自Adv. Mater.2024_ DOI: 10.1002/adma.202406329
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