日本理化学研究所PNAS：热稳定、高效的超柔性有机光伏器件

【引言】

在物联网（loT）传感器和柔性电子设备中，柔性光伏器件具有很好的柔性机械性能。尽管热稳定性的提高对这些器件非常重要，但是同时提高材料的高的转化效率（PCE）和有机光伏器件（OPVs）的热稳定性，仍然是一个很高的挑战。因为热压过程中，活性层的最优结构的保持仍然困难。超薄的涂层作为弹性基体，在使用环境中很难保持热稳定性。因此本文探索了poly (benzodithiophene-cothieno [3,4-b]thiophene) (PBDTTT)的供体聚合物，在超柔性光伏器件的应用。

【成果简介】

近日，日本理化学研究所的Takao Someya和Kenjiro Fukuda（通讯作者）等人，成功的制备了超柔性的OPVs，超过100℃的温度时，其效率是初始效率的10%；空气中，超过500小时的加速时间，其效率是初始效率的80%。本文介绍了一种低能带结构的poly(benzodithiophene-cothieno[3,4-b]thiophene)(PBDTTT)的供体聚合物，它与富勒烯受体混合后，形成稳定的显微结构。本文发现了一种简单易行的方法，通过热熔工艺将超弹性OPV粘附到纺织品上，而不会导致严重的性能下降。相关成果以“thermally stable, highly efficient, ultraflexible organic photovoltaics”为题发表在PNAS上。

【图文导读】

图1 超柔性OPV的设计和电性能

（A）热熔工艺之后，3μm厚的OPVs的光学照片；

（B）超薄OPV设计的堆栈示意图；

（C）PBDTTT-OFT的供体聚合物的化学结构；

（D）柔性和固态器件的电流密度-电压图。

图2 超薄膜的显微结构特征

（A）PBDTTT-OFT超薄薄膜的UV-vis吸收光谱；

（B）PBDTTT-OFT：PC71BM和PBDTTT-EFT：PC71BM混合薄膜的UV-vis吸收光谱；

（C）PBDTTT-OFT和PBDTTT-OFT：PC₇₁BM混合薄膜的GIWAXS二维照片。

图3 超柔性OPV的热稳定的热稳定性和寿命图

（A）PBDTTT-OFT：PC71BM和PBDTTT-EFT：PC₇₁BM混合膜制备的OPVs的短时间热稳定性对比图；

（B）130℃热处理4h后，左面PBDTTT-OFT：PC71BM (上面)和右边PBDTTT-EFT：PC71BM (底部)的AFM光电流图像；

（C）在85℃空气中，热压后，PBDTTT-OFT：PC₇₁BM基的3μm厚的OPVs超柔性的时效测试；

（D）超柔性电池和玻璃支撑刚性器件的储能寿命对比图。

图4 太阳能电池和OPVs的织状物示意图和功率对比输出图

（A）五个并联阵列（每个阵列包含22个串联单电池）的超柔太阳能模块示意图；

（B）是（A）中太阳能模块的光学图片；

（C）是（A）太阳能模块的J-V扫描和功率输出图；

（D）热容加工前后，超柔性OPV二极管的特性。

【小结】

本文设计了一种OPVs材料，可以显著增强其器件的热稳定性和高的PCE。热压后的高性能主要包括PBDTTT聚合物：PC₇₁BM混合的最优结构。超薄弹性基体和热障涂层具有很好的热力学性能和低透气性。因此允许电池的可以苛刻条件下，空气中长时间储存能量。结合服装行业成熟的热熔工艺，具有良好的热性能稳定和超柔性的OPV，可以扩展电子纺织产品的可能性。

文献链接：Thermally stable, highly efficient, ultraflexible organic photovoltaics（PNAS, 2018, DOI: 10.1073/pnas.1801187115）。

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