有机光伏薄膜的力学性能调控与预测

doi:10.7503/cjcu20230168

摘要/Abstract

摘要：

有机光伏电池(OPVs)具有颜色丰富、质轻、柔性等优点, 在半透明、可穿戴/可拉伸电子器件领域具有极大的应用前景. 本文重点评述了高效率有机光伏活性层薄膜的力学性能调整策略, 并概述了其力学性能的理论预测模型. 首先, 简要介绍了薄膜的力学性能参数及其测试方法; 随后, 结合最新实例分别阐述了聚合物∶小分子和全聚合物两类OPVs共混薄膜力学性能的调控方法和理论模型; 最后, 对有机光电薄膜未来的研究趋势进行了展望.

关键词: 有机光伏电池, 力学性能, 弹性模量, 共轭高分子, 薄膜微结构

Abstract:

Organic photovoltaic cells（OPVs） have the advantage of being colorful， light weight and flexible， and have great application prospects in the field of transparent， wearable， and stretchable electronics. In this review， the manipulation strategies of mechanical properties are reviewed for high efficiency OPVs active layer films， and the prediction models of their mechanical properties are summarized. First， the mechanical properties of the OPV films and their testing methods are briefly introduced. Then， the manipulation methods and prediction models of the mechanical properties of OPV films， including polymer∶nonfullerene small molecule acceptor and all-polymer blends， are described with important examples. Finally， our insights into the future trend of this exciting direction are provided.

Key words: Organic photovoltaic cell, Mechanical parameter, Elastic modulus, Conjugated polymer, Microstructure of thin film

中图分类号:

O631

TrendMD:

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图/表 5

Fig.1 Mechanical testing techniques and performance metrics of organic films（A） An overview of mechanical testing techniques for organic thin films. Three categories are divided based on the type of substrates： black color for solid substrate， blue for liquid substrate， and red for free-standing films［11］； FOE method（B） and FOW method（C）［16］ for characterizing the tensile properties of organic thin films；（D） an example of stress-strain curve from the tensile test.（A） Copyright 2022， Wiley-VCH GmbH；（C） Copyright 2022， Wiley-VCH GmbH.

Fig.2 Manipulation methods of mechanical properties for polymer:nonfullerene blend films（A） Plots of PCE and COS values of PM6∶N3∶PC71BM blend films［18］；（B） plots of PCE and COS values of PM6∶PTQ10∶N3 blend films［19］；（C） plots of COS and modulus of PM6， N3， and N2200 neat films；（D） plots of COS as a function with N2200 content in PM6∶N3∶N2200 blend films［22］；（E） stress⁃strain curve of SEBS；（F） plots of PCE and COS values of PM6∶N3∶SEBS blend films［24］.（A） Copyright 2021， Wiley-VCH GmbH；（B） Copyright 2023， RSC Publishing；（C， D） Copyright 2023， Wiley-VCH GmbH；（E， F） Copyright 2021， Wiley-VCH GmbH.

Fig.3 Manipulation strategies of mechanical properties for polymer:small molecule blend films（A） COS of PM6∶J71∶PY-IT blend films with various contents［39］；（B） stress-strain curves of PM6∶PBQ-TF blend films and neat films；（C） J-V curves of flexible OPV devices based on PBQ-TF∶PY-IT and PBQ-TF∶PM6∶PY-IT blend films［40］；（D） performance， stability and flexibility of PM6∶PY-IT∶PYF-IT blend films［42］.（A） Copyright 2022， Cell Press；（B， C） Copyright 2021， Wiley-VCH GmbH；（D） Copyright 2023， Wiley-VCH GmbH.

Fig.4 Mechanical models for various OPV blend films（A） The 3D surfaces of mechanical models and experimental points of COS as a function of acceptor volume fractions of PM6∶N3∶PC71BM［18］； theoretical prediction with three models and experimental elastic modulus data of PM6∶N3∶SEBS（B） and PBQx-TF∶eC9-2Cl∶SEBS（C） blend films［24］；（D） theoretical prediction with three models and COS data of PM6∶N3∶N2200 blend films；（E） theoretical prediction with three models and elastic modulus data of PM6∶N3∶N2200 blend films［22］；（F） theoretical prediction with three models and experimental elastic modulus data of PM6∶PTQ10∶N3 blend films［19］.（A） Copyright 2021， Wiley-VCH GmbH；（B， C） Copyright 2021， Wiley-VCH GmbH；（D， E） Copyright 2023， Wiley-VCH GmbH；（F） Copyright 2023， RSC Publishing.

Fig.5 Relationships between miscibility and theoretical models of elastic moduli for all⁃polymer photovoltaic blends[16]（A） Four theoretical models of elastic moduli for all-polymer photovoltaic blends： ① Parallel model； ② Davies model； ③ Budiansky model； ④ Kerner model. （B—E） Elastic moduli（FOW） of different polymer blends and the associated model fits：（B） PTzBI-Si∶PNDI and the fit of Davies model；（C） PTVT-T∶PNDI and the fit of Kerner model；（D） PM6∶PNDI and the fit of Budiansky model；（E） PTQ10∶PNDI and the fit of Kerner model. （F） Summary of elastic moduli models of various all-PSC active layers and the association with χ.Copyright 2022， Wiley-VCH GmbH.

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