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聚合物太阳能电池：绿色溶剂加工技术与稳定性提升策略研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球能源需求的不断增长以及对环境保护意识的日益增强，开发可持续、高效的清洁能源技术已成为当务之急。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，其利用技术的研究备受关注。聚合物太阳能电池（PolymerSolarCells,PSCs）作为太阳能电池领域的新兴力量，凭借其独特优势和巨大潜力，在过去几十年中取得了显著进展，成为学术界和工业界的研究热点。

聚合物太阳能电池采用有机聚合物作为光电转换材料，一般由共轭聚合物给体和富勒烯衍生物受体的共混膜夹在ITO透明正极和金属负极之间所组成。与传统的硅基太阳能电池相比，聚合物太阳能电池具有诸多优势。从材料特性来看，有机聚合物柔性好，这使得电池片可以制成各种形状，能适应各种复杂的表面，增加了材料的适应性，特别适用于可穿戴设备、柔性电子器件以及建筑一体化等领域，实现了能源收集与多样化应用场景的融合。聚合物材料来源广泛，成本相对较低，有利于大规模生产，从源头上降低了太阳能利用的经济门槛，为其广泛普及提供了可能。在生产加工方面，聚合物太阳能电池可以通过溶液加工的方式制备，如旋涂、喷涂、喷墨打印等，这些工艺操作简单，易于实现大面积制备，与传统硅基太阳能电池复杂且昂贵的制备工艺形成鲜明对比，大大降低了生产难度与成本，提高了生产效率，为大规模工业化生产奠定了基础。

近年来，聚合物太阳能电池的研究取得了长足进步，光电转换效率不断提高。目前，单节聚合物太阳能电池的光电转换效率已经能够达到20%以上，这一成绩相较于早期的研究成果有了质的飞跃，使得聚合物太阳能电池在实际应用中的可行性大大增强。尽管如此，聚合物太阳能电池在商业化进程中仍面临一些挑战。

在加工工艺方面，目前大部分的PSCs是用对人类和环境有害的氯化溶剂加工的。卤化溶剂如氯仿、二氯甲烷等，在使用过程中不可避免地会对人类健康和生态环境造成危害，例如氯仿具有致癌性，二氯甲烷对臭氧层有破坏作用。此外，这些卤化溶剂的储存和废物处理费用昂贵，使得其在大规模生产中的可持续性受到质疑。因此，开发绿色溶剂加工技术，寻找环保、高效的替代溶剂，成为推动聚合物太阳能电池商业化的关键一环。绿色溶剂具有低毒性、低挥发性、可生物降解等优点，使用绿色溶剂加工不仅可以降低对环境的负面影响，还能减少生产成本，提高生产过程的安全性，符合可持续发展的理念。

稳定性也是制约聚合物太阳能电池商业化的重要因素之一。聚合物太阳能电池在实际应用中需要面临各种复杂的环境条件，如高温、高湿度、光照等，在这些条件下，电池的性能容易发生衰退，导致其使用寿命缩短。稳定性不足使得聚合物太阳能电池在户外等长期应用场景中的可靠性受到挑战，增加了维护成本和更换频率，降低了其经济效益和实用价值。提高聚合物太阳能电池的稳定性，确保其在不同环境条件下都能保持良好的性能，是实现其商业化的必要条件。

本研究聚焦于聚合物太阳能电池的绿色溶剂加工和稳定性研究，具有重要的现实意义。通过探索绿色溶剂加工技术，有望找到环保、高效的溶剂体系，优化加工工艺，提高电池的光电转换效率和稳定性，降低生产成本，为聚合物太阳能电池的大规模商业化生产提供技术支持。深入研究聚合物太阳能电池的稳定性机制，能够为材料设计和器件制备提供理论指导，开发出具有更好稳定性的材料和结构，延长电池的使用寿命，增强其在实际应用中的竞争力。

1.2国内外研究现状

在聚合物太阳能电池绿色溶剂加工方面，国内外研究人员进行了大量探索。传统的聚合物太阳能电池制备过程中，广泛使用的卤化溶剂虽然能够有效地溶解聚合物材料，形成高质量的薄膜，但因其对环境和人体健康的危害，促使研究者们积极寻找替代方案。

国内众多科研团队在绿色溶剂的研究上成果丰硕。深圳技术大学新材料与新能源学院的李顺朴团队，指导20级本科生张国平采用无卤素碳氢溶剂（甲苯）代替氯仿，提高了加工溶剂的沸点，使其更适合大规模生产。同时，利用固体添加剂策略有效调控了活性层形貌，改善了器件的电学性能，成功将全聚合物太阳能电池（all-PSCs）的光电转化效率提升至18%。这一研究成果不仅为未来有效调控全聚合物太阳能电池活性层形貌提供了新思路，还为延长电池高效工作时长和产业化奠定了基础。南昌大学谌烈教授团队通过简单的无规聚合策略合成了两种不同构型的新型三元共聚物受体PYTX-A和PYTX-B（X＝Cl或H），利用绿色溶剂制备的all-PSCs大面积器件获得了14.70%的效率，为目前报道的该类器件的最高效率。该团队还首次提出了一个新的效率拉伸系数（ESF）参数，得以全面客观地评估器件的综合性能，为有机太阳能电池综合性能的评估提供了新的方法。

国外研究也取得了显著进展。南方科技大学郭旭岗教授、北