浙大陈红征、左立见浙理工左彪ACS Nano：纳米限域技能显着进步有机光伏器材安稳性

  有机光伏（OPV）作为一种重要的可再次出产的能源技能，其转化功率已打破20%，但是器材的操作安稳性缺乏长时刻捆绑其商业化进程。活性层中给体-受体共混物的相别离纳米结构会自发向热力学平衡态演化，导致器材老化，这一底子性问题亟待解决。

  近来，浙江大学陈红征教授、左立见研讨员和浙江理工大学左彪教授协作提出，经过纳米限域效应按捺活性层分子运动，可大起伏的进步OPV器材的安稳性。研讨团队发现，将活性层捆绑在超薄厚度（低于20纳米）能进步其玻璃化改变温度（Tg）12°C，并将链段弛豫的能垒进步144 kJ/mol，然后使器材寿数延伸15倍。该研讨提醒了器材功率衰减动力学与活性层分子动力学之间的直接相关，为规划高效、安稳的OPV器材供给了要害思路。相关论文以“Taming the Stability of Organic Photovoltaics by Nanoconfinement”为题，宣布在上。

  研讨团队首要构建了具有正常结构的OPV器材，选用PEDOT:PSS和PDINN别离作为空穴与电子传输层，中心为PM6:L8-BO活性层。经过变温椭圆偏振技能，他们准确丈量了夹在两层传输层之间的活性层（称为“T薄膜”）的玻璃化改变行为。成果显现，当活性层厚度减至20纳米以下时，其Tg显着上升，分子运动遭到显着按捺。与之比照，没有传输层捆绑的单一活性层薄膜（“S薄膜”）则因自在外表效应而出现相反的趋势，安稳性随厚度减小而下降。

  图1. 纳米限域对活性层分子动力学的影响。 （a）器材结构示意图及PM6和L8-BO的化学结构。 （b）HTL、ETL和T-30纳米薄膜的椭圆偏振丈量成果。 （c）T薄膜的动态脆性测定；依据公式1核算活化能。 （d）S薄膜和T薄膜的Tg与厚度联系。 （e）S薄膜和T薄膜的Ea,f与厚度联系。 （f）退火前后HTL/AL薄膜的XRR曲线。插图：新制与老化HTL/AL薄膜的密度分布图。 （g）S薄膜和AL/ETL薄膜的IRRAS光谱。

  为了探究其背面的机制，团队使用X射线反射率与红外反射吸收光谱等技能剖析了界面效应。他们发现，空穴传输层与活性层之间在退火后形成了约5纳米的界面过渡层，标明两者发生了互分散；而电子传输层PDINN与活性层分子L8-BO之间则经过氢键相互作用。这些强界面相互作用有用捆绑了活性层分子，特别是按捺了受体分子L8-BO的集合与结晶，然后增强了薄膜的形状安稳性。

  图2. 不同厚度活性层的描摹表征。 （a）IR-AFM图画显现的L8-BO（赤色）与PM6（蓝色）核算振幅比。 （b）老化前后HTL/AL薄膜的2D-GIWAXS图样。 （c）不同AL厚度HTL/AL薄膜的ΔCCL（结晶相干长度改变值）。 （d）ΔCCL随Tg的改变联系。 （e）HTL/AL薄膜形状安稳性的机理示意图。

  在器材功能方面，根据20纳米超薄活性层的OPV在85°C高温老化100小时后，光电转化功率简直未衰减，乃至略有进步；而较厚活性层器材的功率坚持率仅为75%左右。光照老化试验也出现类似趋势，标明热老化与光老化具有一起的机理来源——即形状演化与光氧化进程。进一步剖析标明，超薄活性层器材在老化后仍坚持了较高的载流子迁移率、有用的电荷提取以及按捺的非孪生复合，体现了其优异的安稳性。

  图3. 器材安稳性、光电特性及衰减动力学。 （a）不同活性层厚度器材在85°C老化100小时后的PCE坚持率。 （b）室温LED光照老化100小时后的PCE坚持率与85°C热老化100小时后PCE坚持率的联系。 （c）EQE光谱。 （d）根据薄和厚活性层的器材在退火前后的空穴与电子迁移率。 （e）相应器材的归一化瞬态光电流。 （f）根据120纳米活性层器材在不一样的温度和时刻老化下的PCE坚持率。 （g）以100°C为参阅温度对数据来进行水平位移后构建的主曲线。 （h）ln(aT)与1000/T的联系。 （i）器材Ea,d和teq（即85°C下的T80）的厚度依赖性。

  研讨还经过时刻-温度等效原理剖析了器材衰减动力学，发现不同老化温度下的功率衰减曲线可叠加为主曲线，并由此核算出器材衰减的体现活化能。该活化能与活性层链段弛豫的活化能出现线性相关，证明晰器材安稳性受活性层分子动力学主导。此外，经过引进可光交联的PEGDMA调控活性层Tg，也验证了Tg进步与器材安稳性增强之间的线性联系，进一步支撑了纳米限域经过进步Tg来安稳器材的战略。

  图4. 活性层动力学与OPV安稳性的相关性。 （a）代表性厚度（20、25、30纳米）下Tg与Ea,f的联系。 （b）Ea,d与Ea,f的联系。 （c）活性层Tg与器材在85°C老化100小时后PCE坚持率的联系。

  图5. 交联PEGDMA对器材光伏功能及85纳米活性层Tg的影响。 （a）PEGDMA交联示意图。 （b）不同PEGDMA含量的S薄膜归一化Psi随温度的改变。 （c）J-V曲线。 （d）EQE光谱。 （e）光电流密度与有用电压的联系。 （f）不同PEGDMA含量器材的耐热性。 （g）PCE坚持率进步值与ΔTg的函数联系，拟合线c的蓝色实心点核算得出。

  综上所述，该研讨体系阐明晰纳米限域效应怎么经过增强界面相互作用、按捺分子运动与形状演化，然后显着进步OPV器材的耐热性与操作寿数。这一机制了解不仅为当时OPV的安稳性应战供给了切实可行的解决方案——即经过减薄活性层完成“近乎零本钱”的安稳性进步，也为未来高效、长寿数有机光伏器材的规划与工程化指明晰方向。