研究人员通过开发一种利用侧链工程改善分子相互作用的方法，在聚合物太阳能电池技术方面取得了重大进展。这种方法消除了对有毒卤化处理溶剂的需求，从而提高了电池的效率和稳定性。这项研究强调了基于低聚乙二醇(OEG)侧链的好处，标志着朝着更环保、更高效、适合可穿戴设备的太阳能电池迈出了关键一步。信贷:SciTechDaily
聚合物太阳能电池以其重量轻和柔韧性而闻名，是可穿戴设备的理想选择。然而，它们的广泛使用受到生产过程中所需的有毒卤化溶剂的阻碍。这些溶剂构成环境和健康风险，限制了这些太阳能电池的吸引力。不幸的是，毒性较小的替代溶剂缺乏相同的溶解度，需要更高的温度和更长的处理时间。
这种低效率进一步阻碍了聚合物太阳能电池的采用。开发一种方法来消除对卤化溶剂的需求，可以显着提高有机太阳能电池的效率，使其更适合可穿戴技术。
在最近发表的一篇论文中，研究人员概述了如何利用侧链工程改善聚合物供体和小分子受体之间的分子相互作用，从而减少对卤化加工溶剂的需求。
这篇论文最近发表在《纳米研究能源》杂志上。
聚合物给体和小分子受体的共混形态受其分子相互作用的高度影响，这可以由给体和受体材料之间的界面能决定。当它们的表面张力值相似时，供体和受体之间的界面能和分子相互作用预计会更有利，”韩国晋州庆尚国立大学教授Yun-Hi Kim说。“为了增强聚合物供体的亲水性，减少分子分离，侧链工程可能是一个可行的途径。”
侧链工程的作用
侧链工程是指将一个化学基团(称为侧链)添加到分子的主链上。侧链上的化学基团影响大分子的性质。研究人员推测，由于侧链中的氧原子，添加基于低聚乙二醇(OEG)的侧链可以改善聚合物供体的亲水性。具有亲水性的分子被水吸引。
基于整体性能和热稳定性，碳氢化合物和亲水性低聚乙二醇(2EG)的混合物在制造PSC时比标准溶剂表现更好。资料来源:纳米研究能源，清华大学出版社
聚合物供体和小分子受体亲水性的差异会影响它们相互作用的方式。随着聚合物供体亲水性的提高以及它们与小分子受体之间的相互作用的改善，可以在不牺牲太阳能电池性能的情况下使用非卤化处理溶剂。事实上，将oeg基侧链连接到苯二噻吩基聚合物供体上的聚合物太阳能电池的功率转换效率为17.7%，而不是15.6%。
提高效率和稳定性
为了比较结果，研究人员设计了以苯并二噻吩为基础的聚合物供体，包括OEG侧链、烃侧链或50%烃和50% OEG的侧链。“这阐明了侧链工程对非卤化溶剂加工聚合物太阳能电池的混合形态和性能的影响，”Kim说。“我们的研究结果表明，具有亲水性OEG侧链的聚合物可以增强与小分子受体的混溶性，提高非卤化加工过程中聚合物太阳能电池的功率转换效率和器件稳定性。”
除了提高功率转换效率外，带有oeg侧链的聚合物太阳能电池还具有增强的热稳定性。热稳定性对聚合物太阳能电池的规模化至关重要，因此研究人员将它们加热到120摄氏度，然后比较了能量转换效率。加热120小时后，含烃侧链聚合物的能量转换效率仅为初始能量转换效率的60%，且其表面存在不规则性，而烃类和OEG的混合物则保持了初始能量转换效率的84%。
Kim说:“我们的结果可以为设计聚合物供体提供有用的指导，这些供体可以使用非卤化溶剂处理生产高效稳定的聚合物太阳能电池。”
参考文献:“具有亲水性侧链的聚合物供体通过非卤化溶剂处理实现高效和热稳定的聚合物太阳能电池”，作者:Soodeok Seo, Jun-Young Park, Jin Su Park, Seungjin Lee, Do-Yeong Choi, Yun-Hi Kim和Bumjoon J. Kim, 2023年7月24日，纳米研究能源。DOI: 10.26599 / NRE.2023.9120088
韩国科学技术院(kaist)研究员徐秀德、朴金洙、金范俊等人也参与了此次研究。庆尚大学教授朴俊英、崔道英以及韩国化学技术研究院的李承珍。
该研究由韩国能源评价计划研究院和韩国国立科学振兴财团赞助。
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