研究人員通過開發一種使用側鏈工程來改善分子相互作用的方法，在聚合物太陽能電池技術方面取得了重大進展。 這種方法消除了對有毒鹵化處理溶劑的需求，提高了電池的效率和穩定性。 該研究強調了基於低聚乙二醇（OEG）的側鏈的優勢，標誌著朝著更綠色、更高效、更可穿戴的太陽能電池邁出了關鍵一步。
聚合物太陽能電池以其重量輕和柔韌性而聞名，使其成為可穿戴裝置的理想選擇。 然而，生產過程中所需的有毒鹵化溶劑阻礙了其廣泛應用。 這些溶劑會帶來環境和健康風險，限制了這些太陽能電池的吸引力。 不幸的是，毒性較小的替代溶劑缺乏相同的溶解度，因此需要更高的溫度和更長的處理時間。
這種低效率進一步阻礙了聚合物太陽能電池的應用。 開發一種無需使用鹵化溶劑的方法，可以顯著提高有機太陽能電池的效率，使其更適合可穿戴技術。
在最近發表的一篇文章**中，研究人員概述了如何使用側鏈工程來改善聚合物供體和小分子受體之間的分子相互作用，從而減少對鹵化處理溶劑的需求。
*最近發表在Nano Research Energy上。
聚合物供體和小分子受體的混合形貌受其分子相互作用的強烈影響，其分子相互作用可以通過供體和受體材料之間的介面能來決定。 當它們的表面張力值相似時，供體和受體之間的介面能和分子相互作用預計更有利"南韓慶尚國立大學（Kyungsang National University）教授金允喜（Yun-Hi Kim）說。 "為了增強聚合物供體的親水性並減少分子脫雜，側鏈工程可能是一種可行的方法。 "
側鏈工程的作用
側鏈工程是指在分子的骨架上新增一種稱為側鏈的化學基團。 側鏈中的化學基團影響大分子的性質。 研究人員推測，由於側鏈中的氧原子，新增基於低聚乙二醇（OEG）的側鏈將提高聚合物供體的親水性。 親水的分子被水吸引。
聚合物太陽能電池整體效能及聚合物太陽能電池中親水側鏈分子的熱穩定性示意圖 根據整體效能和熱穩定性，碳氫化合物和親水性低聚乙二醇（2eg）的混合物在製造PSC時的效能優於標準溶劑。 資料來源**：清華大學出版社，奈米研究能源
聚合物供體和小分子受體的親水性差異會影響它們的相互作用。 隨著聚合物給體親水性的增加及其與小分子受體相互作用的改善，可以使用無滷處理溶劑而不影響太陽能電池的效能。 事實上，由連線到苯並二噻吩聚合物供體的OEG側鏈製成的聚合物太陽能電池的功率轉換效率為177%，高於 156%。
提高效率和穩定性
為了比較結果，研究人員設計了具有 OEG 側鏈、烴側鏈或 50% 烴側鏈和 50% OEG 側鏈的苯並二噻吩基聚合物供體。 金正恩說"這闡明了側鏈工程對用無滷溶劑加工的聚合物太陽能電池的混合形貌和效能的影響。 結果表明，具有親水性OEG側鏈的聚合物可以提高聚合物太陽能電池在無鹵化過程中與小分子受體的混溶性，並提高功率轉換效率和器件穩定性。 "
除了提高功率轉換效率外，具有OEG側鏈的聚合物太陽能電池還具有更高的熱穩定性。 熱穩定性對於聚合物太陽能電池的縮放至關重要，因此研究人員將它們加熱到120攝氏度，然後比較了功率轉換效率。 加熱120小時後，具有烴類側鏈的聚合物的功率轉換效率僅為原始和表面不規則性的60%，而烴類和OEGs的混合物保持了初始功率轉換效率的84%。
金正恩說"研究結果可為設計聚合物供體提供有益的指導，以利用無滷溶劑處理生產高效穩定的聚合物太陽能電池。 "
參考資料：Soodook SEO、Jun-Young Park、Jin Su Park、Seungjin Lee、Do-Yeong Choi、Yun-Hi Kim 和 Bumjoon JKim 於 2023 年 7 月 24 日在 Nano Research Energy 發表**："親水性側鏈聚合物供體可以用非鹵化溶劑處理，以獲得高效、熱穩定的聚合物太陽能電池"。
doi: 10.26599/nre.2023.9120088
編譯**：scitechdaily