研究人員透過開發一種利用側鏈工程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。這種方法無需使用有毒的滷化加工溶劑，從而提高了電池的效率和穩定性。這項研究強調了基於低聚乙二醇（OEG）側鏈的優勢，標誌著向更環保、更有效率、更適合穿戴式裝置的太陽能電池邁出了關鍵一步。

聚合物太陽能電池以重量輕、靈活性強而著稱，是穿戴式裝置的理想選擇。然而，生產過程中所需的有毒鹵化溶劑卻阻礙了它們的廣泛應用。這些溶劑帶來了環境和健康風險，限制了這些太陽能電池的吸引力。遺憾的是，毒性較低的替代溶劑缺乏相同的溶解性，因此需要更高的溫度和更長的加工時間。

這種低效率進一步阻礙了聚合物太陽能電池的應用。開發出一種無需使用鹵化溶劑的方法，可顯著提高有機太陽能電池的效率，使其更適用於穿戴式技術。

在最近發表的一篇論文中，研究人員概述瞭如何利用側鏈工程改善聚合物供體和小分子受體之間的分子相互作用，從而減少對鹵化加工溶劑的需求。

論文最近發表在《奈米研究能源》（Nano Research Energy）上。

“聚合物供體和小分子受體的混合形態受其分子相互作用的影響很大，而分子相互作用可由供體和受體材料之間的界面能決定。當它們的表面張力值相似時，供體和受體之間的界面能和分子相互作用預計會更有利，”韓國慶尚國立大學教授Yun-Hi Kim 說。”為了增強聚合物供體的親水性並減少分子脫雜，側鏈工程可能是一條可行的途徑。”

側鏈工程的作用

側鏈工程是指在分子的主鏈上添加一個稱為側鏈的化學基團。側鏈中的化學基團會影響大分子的性質。研究人員推測，添加基於低聚乙二醇（OEG）的側鏈將提高聚合物供體的親水性，這要歸功於側鏈中的氧原子。具有親水性的分子會被水吸引。

聚合物太陽能電池的整體性能和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性能和熱穩定性，在製造PSC 時，碳氫化合物和親水性低聚乙二醇(2EG ) 的混合物比標準溶劑的性能更好。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親水性的不同​​會影響它們的相互作用。隨著聚合物供體親水性的增加以及它們與小分子受體之間相互作用的改善，可以使用非鹵化加工溶劑，而不會影響太陽能電池的性能。事實上，以OEG 側鏈連接苯並二噻吩聚合物供體製成的聚合物太陽能電池的功率轉換效率為17.7%，高於15.6%。

提高效率和穩定性

為了比較結果，研究人員設計了帶有OEG 側鏈、碳氫化合物側鏈或50% 碳氫化合物側鏈和50% OEG 側鏈的苯並二噻吩基聚合物供體。Kim說：”這闡明了側鏈工程對非鹵化溶劑加工聚合物太陽能電池的混合形態和性能的影響。我們的研究結果表明，具有親水性OEG 側鏈的聚合物可以提高與小分子受體的混溶性，並在非鹵化加工過程中提高聚合物太陽能電池的功率轉換效率和裝置穩定性。”

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規模化至關重要，因此研究人員將其加熱至120 攝氏度，然後比較功率轉換效率。加熱120 小時後，帶有碳氫化合物側鏈的聚合物的功率轉換效率僅為最初的60%，而且表面出現了不規則現象，而碳氫化合物和OEG 的混合物則保持了最初功率轉換效率的84%。

Kim說：”我們的研究結果可以為設計聚合物供體提供有用的指導，從而利用非鹵化溶劑加工生產出高效穩定的聚合物太陽能電池。”

參考文獻： Soodeok Seo、Jun-Young Park、Jin Su Park、Seungjin Lee、Do-Yeong Choi、Yun-Hi Kim 和Bumjoon J. Kim 於2023 年7 月24 日發表在《奈米研究能源》上的論文： “親水性側鏈聚合物供體可透過非鹵化溶劑處理實現高效、熱穩定的聚合物太陽能電池”。

doi: 10.26599/nre.2023.9120088

編譯來源：ScitechDaily