首页 > 行业资讯 > 中兴大学林玠廷与台湾大学阙居振团队 AFM: 改善有机太阳能电池的抗水性

中兴大学林玠廷与台湾大学阙居振团队 AFM: 改善有机太阳能电池的抗水性

时间：2022-07-09 来源：浏览：

中兴大学林玠廷与台湾大学阙居振团队 AFM: 改善有机太阳能电池的抗水性

原创化学与材料科学化学与材料科学

化学与材料科学

微信号 Chem-MSE

功能介绍聚集海内外化学化工、材料科学与工程、生物医学工程领域最新科学前沿动态，与相关机构共同合作，发布实用科研成果，结合政策、资本、商业模式、市场和需求、价值评估等诸要素，构建其科技产业化协同创新平台，服务国家管理机构、科研工作者、企业决策层。

收录于合集

#全聚合物电池 1 个

#电子传递层 1 个

#纳米二氧化钛 1 个

#有机光伏 3 个

#水下稳定性 1 个

点击蓝字关注我们

因为具备方便制作、重量轻、可拉伸等特性，近年来有机光伏打电池日渐受到重视。相比于其他光伏打电池，此类电池在可携戴式电子用品、曲面荧幕上应用具有更大的潜力。值得注意的是，于携戴式电子用品的应用上，增加元件的抗 ( 防 ) 水性是一相当重要的环节。迄今，绝大多数报导的柔性太阳能电池对于水具有高度的敏感性，不但制作过程须在手套箱中进行，甚至于封装后也会渐渐被空气中的水气以及氧气侵蚀，造成元件效率骤减或损坏。

有鉴于此，台湾中兴大学化工系林玠廷助理教授与台湾大学化工系阙居振副教授团队便针对有机太阳能电池的抗水性问题进行了一系列的研究与分析，试图克服元件低抗水性的这个缺点，提升有机光伏打电池的水下应用价值。此论文主要针对元件中的三个组成部分进行讨论 : 1) 光活性层本体异质结 ( Bulk heterojunction , BHJ) 的抗水性 ; 2) 电子传输层 (Electron transport layer, ETL) 的抗水性 ; 3) ETL 结构对于光活性层于水下吸附性的影响。

于光活性层 BHJ 抗水性的讨论，主要藉由研究比较一系列具代表性的高分子施体 ( Polymer donors) 和小分子或高分子受体 (A cceptors) 所组成的 BHJ 的长时间浸水稳定性 ( 图一 ) 。虽然目前常见高效率的有机太阳能电池之 BHJ 层主要是由高分子施体与小分子受体所组成，实验结果显示全高分子组成的 BHJ 层 ( PBDB-T: N 2200) 会具有较佳的抗水性 ( 图二 ) ，其于水中浸泡 10 小时后还可以维持近乎完整的膜。

图一、本研究中测试的高分子施体与分子受体的化学结构。

图二、 ( a) 高分子施体薄膜、 (b) 分子受体与 (c ) 施体 : 受体 B HJ 薄膜于不同水浸泡时间老化下的归一化吸光度峰值。

厘清光活性层的抗水性后，研究团队接续研究 ETL 的抗水性影响，研究结果发现 ETL 层的金属氧化物特性扮演一重要的角色。原本非常稳定的全高分子 BHJ 层 ( PBDB-T: N 2200) ，其涂布于 planar Z nO ( 利用 s ol-gel 方法制备而成 ) 上的薄膜于长时间的水浸泡后会产生严重的相分离 ( 图三 ) 。此乃由于 Z nO 遇到水时会产生化学解离现象 ( 公式 1) ，而此现象在酸性、光照的条件下会加速发生。

图三、 ( a) PBDB-T: N 2200 共混膜于玻璃基板和 ZnO ETL 上于不同水浸泡时间老化下的光学显微镜影像和 (b) 照片 ; (c)PBDB-T: N 2200 共混膜于 ZnO ETL 上于水中老化 10 小时候的 P L 映射图 ;(d) PBDB-T: N 2200 共混膜于 ZnO ETL 上于不同水浸泡时间老化下的 G IWAX 图像和相应的面外散射曲线 ; (e) ZnO ETL 在水中老化不同时间后的 AFM 高度图像。

鉴于此限制，研究团队首先采用 planar T iO ₂ ETL 取代 p lanar ZnO ETL ，此乃由于 TiO ₂ 在水中具有较佳的稳定性，可避免 BHJ 层由于 ETL 界面的水下不稳定性造成的相分离。然而， planar TiO ₂ 的界面附着力较弱，与水中浸泡下会导致光活性层的剥离，造成电池失效等结果 ( 图四 ) 。因此我们进一步采用具纳米颗粒结构的 TiO ₂ 当作 ETL ，并证明其可有效增进光活性层于水下的附着力，涂布在其上的光活性层在浸水前后结构与物质分布特征几乎与未泡水前一样 !

图四、 ( a) PBDB-T: N 2200 共混膜在 n p-TiO ₂ ETL 和 p lanar TiO ₂ ETL 上浸入水中一到两次后的照片 ; (b) n p-TiO ₂ ETL 和 PBDB-T: N 2200 共混膜在 n p-TiO ₂ ETL 上的 AFM 于水浸泡老化前后的 AFM 高度图像 ; (c) n p-TiO ₂ ETL 上新鲜和老化的 PBDB-T: N 2200 共混膜的 TAS 光谱和 (d) 瞬态吸收衰减动力学。

最后，研究团队结合上述的发现，比较各种 ETLs 对于所制备之全高分子 ( PBDB-T: N 2200) 光伏打电池效率的影响 ( 结构均为 ITO /ETL/ BHJ/MoO ₃ /Ag ，制作过程如图五所示 ) 。结果显示使用 p lanar ZnO ETL 时，半电池 ( 不包含 MoO ₃ 与 Ag) 在浸泡三小时后便因光活性层中的相分离导致元件失效。然而，当使用 n p-TiO ₂ ETL 时，即使半电池浸泡时间长达 10 小时，元件的效率几乎保持不变，展现极佳的抗水性。

图五、 ( a) 所研究元件的浸水稳定性测试示意图 ; 所制备的全高分子 ( PBDB-T: N 2200) 电池使用不同 ETL 的 (b) 电池特性曲和 ( c) 其效率对于浸泡时间的变化图。

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202203487

作者简介

向上滑动阅览

林玠廷教授简介

林玠廷 ,国立中兴大学化学工程学系助理教授, 2014 年于台湾国立成功大学取得学士学位 ( 期间参与过美国天普大学与日本大阪大学的交换学程 ) ，并在 2016 与2 02 0年于英国帝国理工大学取得硕士和博士学位( Prof. Martyn Mclachlan 和 Prof. James Durrant 共同指导), 2020 年至2 021 年间先后在帝国理工大学与韩国光州科学技术院进行博士后研究, 2021 年就职于国立中兴大学担任助理教授。他的研究重点是单晶钙钛矿太阳能电池和全聚合物有机太阳能电池,并于相关领域发表S CI 论文2 0 余篇。

更多信息请查看林玠廷课题组主页:

https://clin157.wixsite.com/ctlinslab

阙居振副 教授简介

阙居振 ,国立台湾大学化学工程学系副教授,2 010 年于台湾大学取得博士学位, 2011 年至2 016 年在美国华盛顿大学进行博士后研究(合作导师: Alex K - Y Jen ), 2017 年就职于台湾大学并于 20 2 0 年升任副教授。阙居振课题组致力于光电高分子与钙钛矿制备、性质及应用研究,且在相关领域发表S CI 论文2 00 余篇,包含 E nergy. Environ. Sci. 、A dv. Mater. 、A dv. E nergy. Mater. 、N at. Commun. 、J ACS 等。曾获得 Clarivate Analytics 2018与 2 019 年高被引研究者与 I&EC Research 2020 Class of Influential Researchers 。

更多信息请查看阙居振课题组主页:

https://chuehslab2016.wixsite.com/ccchueh

中兴大学林玠廷与台湾大学阙居振团队 AFM: 改善有机太阳能电池的抗水性

中兴大学林玠廷与台湾大学阙居振团队 AFM: 改善有机太阳能电池的抗水性

微信公众号

小编微信