AM1.5G A+级太阳光模拟器及量子效率量测提升全聚合物太阳能电池效率

全聚合物太阳能电池(all-PSCs)凭借其出色的稳定性和机械耐用性，被认为是未来太阳能电池应用的重要方向。全聚合物太阳能电池主要由供体和受体两种有机聚合物材料组成，其基本结构包括以下：

l  透明导电电极： 通常由氧化铟锡（ITO）制成，用于光的透射和电子的导电。

l  电子传输层： 提高电子从活性层向电极的传输效率。

l  活性层： 由供体和受体材料组成，是光生电荷的主要产生区域。供体材料吸收光子产生激子（电子-空穴对），激子在受体材料处分离成自由电子和空穴。

l  空穴传输层： 提高空穴从活性层向电极的传输效率。

l  金属电极： 通常由银或铝制成，用于收集和导出电荷。

近年来，全聚合物太阳能电池的研究发展迅速：

l  材料发展: 随着非富勒烯受体材料的快速发展，APSCs的光/热稳定性和柔韧拉伸性能显着提高。

l  转换效率: 研究显示，聚合物太阳能电池的转换效率已突破10%，这使其成为一种有竞争力的替代传统硅基太阳能电池的技术。

l  机械灵活性: APSCs表现出优异的透明性、溶液加工性和机械灵活性，使其在柔性电源系统中有广泛应用前景。

然而，由于其效率长期落后于小分子受体基太阳能电池，限制了其进一步发展。如何有效平衡并提升开路电压(Voc)和短路电流密度(Jsc)成为全聚合物太阳能电池领域的一大难题。

近期，香港科技大学颜河教授团队在国际顶级期刊 Energy & Environmental Science 上发表了突破性研究成果， 成功开发了一种名为PYO-V的新型聚合物受体， 它可以通过调节分子结构， 实现更宽的光谱吸收和更高的能量级， 从而有效提升了全聚合物太阳能电池的性能， 并实现了高效的多功能光伏应用。

颜河教授是香港科技大学化学系教授，长期致力于有机光伏材料与器件方面的研究， 在国际著名期刊发表了200余篇高质量学术论文。 他的团队致力于突破现有全聚合物太阳能电池的技术瓶颈， 为下一代高效稳定的光伏器件的开发提供新的思路和方向。

【突破性设计：巧妙调节分子结构，提升光伏性能】

研究团队针对目前全聚合物太阳能电池中开路电压 (VOC) 和短路电流密度 (JSC)难以兼得的难题，巧妙设计并合成了一种新型的聚合物受体PYO-V。 该分子通过在外部噻吩单元的 β 位置引入烷氧基侧链， 实现了能级上移和吸收蓝移。

PYO-V 的优势：

l  更宽的光谱吸收范围: PYO-V 能够有效吸收更多光能， 显着提升光电流。

l  更优异的分子排列: 烷氧基侧链的存在， 可以有效提升聚合物材料的分子排列， 从而促进载流子的传输和分离， 减少复合损失， 提升器件的效率。

l  更高的开路电压: PYO-V 拥有更高能量级， 有效降低了太阳能电池的电压损失， 从而提高了器件的开路电压。

l  多功能的应用: PYO-V 同时具有户外和室内应用的潜力， 可以在不同的光照环境下表现出高效的光伏特性。

【突破效率极限，打造更稳定的全聚合物太阳能电池】

研究人员通过将 PYO-V 引入到 PM6:PY-V-γ 主体系统中， 实现了对光谱吸收的有效补充。 最终， 他们成功制备出了基于 PM6:PY-V-γ:PYO-V 的三元全聚合物太阳能电池， 器件效率高达18.5%， 成为目前报道的所有使用开路电压超过0.93 V的全聚合物太阳能电池中的新紀录。

为了准确地测试太阳能电池器件的性能， 研究团队使用了 光焱科技的 SS-X AM1.5G太阳光仿真器 和 QE-R PV/太阳能电池量子效率光学仪 。 SS-X 太阳光模拟器为研究人员提供了精准模拟太阳光的环境， 而 QE-R 则可以帮助研究人员分析太阳能电池在不同波长范围的光电转化效率， 从而为器件设计和性能优化提供重要参考数据。

突破传统束缚，全聚合物太阳能电池的未来充满希望

该研究结果表明， 通过合理的设计和分子调控， 全聚合物太阳能电池可以获得与小分子受体基太阳能电池相当甚至更高的效率。 未来， 研究团队将进一步优化全聚合物太阳能电池的性能， 使其在实际应用中发挥更大的作用。

【总结】

颜河教授团队通过开发具有更宽光谱吸收和更高能级的聚合物受体 PYO-V， 突破了传统全聚合物太阳能电池的效率瓶颈， 实现了更高效率和更稳定性能的多功能全聚合物太阳能电池。 这项研究成果为开发未来高效稳定的全聚合物太阳能电池提供了重要的理论基础和技术参考。

重要技术参数：

全聚合物太阳能电池效率： 18.5%

关键材料： PYO-V

关键技术： 分子调控策略

关键设备： 光焱科技的 SS-X AM1.5G太阳光仿真器 和 QE-R PV/太阳能电池量子效率光学仪

香港科技大学_颜河教授

颜河教授是香港科技大学化学系教授，其团队主要专注于新型有机光伏材料的研发， 包括高性能聚合物供体材料、受体材料，以及新的器件设计。 他们的研究目标是开发出效率更高、更稳定、成本更低的光伏器件， 推动再生能源技术的进步。 颜教授领导的团队已在国际著名期刊上发表了200余篇高质量学术论文， 并在有机光伏领域取得了重大成果。

课题组主要研究方向

I.    有机光伏材料与器件：

研究新型有机光伏材料的合成与性能优化。

探索高效能有机太阳能电池的制备技术及其应用。

II.   全聚合物太阳能电池：

开发高效能的全聚合物太阳能电池材料。

研究全聚合物太阳能电池的结构与机理，提升其光电转换效率。

III. 柔性与可印刷电子器件：

研究柔性电子材料及其在可穿戴设备中的应用。

探讨可印刷电子器件的制备工艺及其在不同领域的应用前景。

IV.   光电功能材料：

研发具有优异光电性能的新型功能材料。

研究光电材料在光电探测、光催化等方面的应用。

参考文献

An efficient alkoxy-substituted polymer acceptor for efficient all-polymer solar cells with low voltage loss and versatile photovoltaic applications_ Energy Environ. Sci., 2024

【本研究参数图】

Fig 1.  （a） PM6（聚合物供体）、PY-V-γ（深色聚合物受体）和PYO-V（热致变色聚合物受体）的化学结构。（b） PM6、PY-V-γ、PYO-V 和 PY-V-γ：PYO-V 薄膜和 （c） PM6：PY-V-γ、PM6：PYO-V 和 PM6： PY-V-γ：PYO-V 溷合薄膜的归一化紫外-可见吸收光谱。（d） 所有PSC中材料的能量对齐。

Fig 2. （a） J-V特性和（b）外部量子效率（EQE）光谱和（c）三种类型的全PSC的暗J-V曲线。（d） PY-V-γ、PYO-V、PY-V-γ：PYO-V纯薄膜和PM6：PY-V-γ、PM6：PYO-V和PY-V-γ：PYO-V共溷薄膜的TR-PL衰减曲线。泵浦和探头波长为 750 nm。（e） 四种全聚合物器件的 TPC 和 （f） TPV 光谱。

Fig S14.(a) 基于 PM6:PYF-T-o、PM6:PYO-V 和 PM6:PYF-T-o:PYO-V。(c) 基于 PM6:PYF-T-o、PM6:PYO-V 和 PM6:PYF-T-o:PYO-V 的器件的 EQE 曲线。

上述研究数据来自光焱科技 _ QE-R 光伏/太阳能电池 EQE 完整解决方案

推荐设备

1.     QE-R_光伏 / 太阳能电池量子效率测量解决方案
具有以下特色优势：

l   高精度: QE-R 系统采用高精度光谱仪和校准光源，确保 EQE 测量的准确性和可靠性。

l   宽光谱范围:QE-R 系统的光谱范围覆盖紫外到近红外区域，适用于各种光伏材料和器件的 EQE 测量。

l   快速测量:QE-R 系统具有快速扫描和数据采集功能，能够高效地进行 EQE 光谱测量。

l   易于操作:QE-R 系统软件界面友好，操作简单方便，即使是初学者也能轻松上手。

l   多功能:QE-R 系统不仅可以进行 EQE 测量，还可以进行反射率、透射率等光学特性的测量，具有多功能性。

2. SS-X系列集成式解决方案 AM1.5G 标准光谱太阳光模拟器+ 软件: IVS-KA6000 + IVS-KA-Viewer

AM1.5G 标准光谱太阳光模拟器

• A+ 光谱：接近 AM1.5G 标准光谱

• A+ 辐照度的时间不稳定性

• SS-IRIS：自主研发技术自动光强操控

• 适合与手套箱集成的输出光束方向

IVS-KA6000：IV测量软件 所有 SS-X 系列太阳光模拟器都可以通过 IVS-KA6000 软件进行控制，该软件是 IV 测量软件，可用于准确的 PV 表征。不仅是光闸，输出光辐照度也可以通过 IVS-KA6000 IV 软件进行操控，帮助用户轻松完成不同光强下复杂的 IV 测试或 Sun- Voc测试。来自 IVS-KA6000 的所有 IV 数据都可以通过 IVS-KA-Viewer 读取和分析，这是另一款多功能分析软件。

KA-Viewer IV 分析软件 可以大幅缩短用户的数据处理时间，并可加快整体工艺改进研发的时程。

文献参考自 Energy Environ. Sci., 2024,_ DOI:10.1039/D4EE01804D

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