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我科学家提出改善有机太阳能电池器件柔性和稳定性的通用策略
2020-06-22 12:44:53 来源: 科技日报 作者: 王健高 刘佳
6月22日，记者从中国科学院青岛生物能源与过程研究所获悉，由该所包西昌研究员带领的先进功能材料与器件研究组与大连理工大学王锦艳教授的“科技部重点领域”耐高温高性能工程塑料创新团队、上海同步辐射光源的杨春明研究员合作提出了一种基于耐高温聚芳醚树脂提升有机太阳能电池稳定性和柔性的通用性策略，相关成果发表在《先进功能材料》上。
有机太阳能电池(OPV)技术凭借独特的质轻、柔性、半透明、弱光敏感以及可通过卷对卷大面积制备等优点独树一帜，可在便携式和柔性电子消费应用领域与无机太阳能电池形成有效互补，吸引了国内外科研机构和产业界的广泛关注。
据介绍，近几年OPV的效率已经取得了长足进步，超过18%。然而，关于OPV 器件的稳定性研究却远远滞后于效率的发展。目前阶段，OPV 较差的光热稳定性是其实现产业化所面临的一大阻力。
包西昌研究员带领的先进功能材料与器件研究组与王锦艳教授的“科技部重点领域”耐高温高性能工程塑料创新团队、杨春明研究员开展协同创新，合作科研，提出了一种基于耐高温聚芳醚树脂提升有机太阳能电池稳定性和柔性的通用性策略。
耐高温聚芳醚树脂是一种可用于军工极端环境下的特种工程塑料，具有优异的耐高温和水氧稳定性，可以满足极端环境下的使用需求。与之相反，有机光伏材料因为长柔性侧链的存在(改善溶解性)难以避免自身分子的高温蠕动行为，这是导致OPV器件稳定性差的重要原因之一。与此同时，聚芳醚高度扭曲的主链结构赋予了聚合物薄膜优异的机械性能和可拉伸性。经典的光伏给受体化合物在薄膜力学性能也上远远弱于耐高温聚芳醚树脂。该工作中，通过在OPV的活性层内构筑耐高温聚芳醚树脂的网络化结构，研究了耐高温聚芳醚树脂在活性层内对器件效率、稳定性和柔性的影响因素及机制。这种耐高温树脂网络化的形貌有效阻止了光伏给受体在高温下的分子蠕动行为，提升了OPV器件的稳定性。并且聚芳醚之间的链缠结效应也阻止了光伏给受体分子在高拉伸强度下的断裂行为，提升了活性层的拉伸性能和器件的柔性。该工作也首次使用了原位广角X 射线衍射拉伸测试表征了光伏活性层薄膜的拉伸形变行为。研究发现，耐高温聚芳醚树脂在给受体活性层内可能存在着电子隧穿效应，因此上述策略并不会大幅降低器件的光电转化效率。在器件光电转化效率(PCE)保持15.17%基础上，活性层的断裂伸长率可以高达25.07%，这是目前高效有机太阳能电池(PCE>8%)的最高值。上述工作为提升OPV 器件的稳定性和柔性提供了一种通用性策略，并为其在未来柔性能源领域的产业化应用提供一种行之有效的方法。
据介绍，该所先进有机功能材料与器件团队韩建华博士和大连理工大学鲍锋博士为论文共同第一作者，论文通讯作者为包西昌研究员和阳仁强研究员、王锦艳教授和杨春明研究员。
2020-06-22 12:44:53 来源: 科技日报 作者: 王健高 刘佳
6月22日，记者从中国科学院青岛生物能源与过程研究所获悉，由该所包西昌研究员带领的先进功能材料与器件研究组与大连理工大学王锦艳教授的“科技部重点领域”耐高温高性能工程塑料创新团队、上海同步辐射光源的杨春明研究员合作提出了一种基于耐高温聚芳醚树脂提升有机太阳能电池稳定性和柔性的通用性策略，相关成果发表在《先进功能材料》上。
有机太阳能电池(OPV)技术凭借独特的质轻、柔性、半透明、弱光敏感以及可通过卷对卷大面积制备等优点独树一帜，可在便携式和柔性电子消费应用领域与无机太阳能电池形成有效互补，吸引了国内外科研机构和产业界的广泛关注。
据介绍，近几年OPV的效率已经取得了长足进步，超过18%。然而，关于OPV 器件的稳定性研究却远远滞后于效率的发展。目前阶段，OPV 较差的光热稳定性是其实现产业化所面临的一大阻力。
包西昌研究员带领的先进功能材料与器件研究组与王锦艳教授的“科技部重点领域”耐高温高性能工程塑料创新团队、杨春明研究员开展协同创新，合作科研，提出了一种基于耐高温聚芳醚树脂提升有机太阳能电池稳定性和柔性的通用性策略。
耐高温聚芳醚树脂是一种可用于军工极端环境下的特种工程塑料，具有优异的耐高温和水氧稳定性，可以满足极端环境下的使用需求。与之相反，有机光伏材料因为长柔性侧链的存在(改善溶解性)难以避免自身分子的高温蠕动行为，这是导致OPV器件稳定性差的重要原因之一。与此同时，聚芳醚高度扭曲的主链结构赋予了聚合物薄膜优异的机械性能和可拉伸性。经典的光伏给受体化合物在薄膜力学性能也上远远弱于耐高温聚芳醚树脂。该工作中，通过在OPV的活性层内构筑耐高温聚芳醚树脂的网络化结构，研究了耐高温聚芳醚树脂在活性层内对器件效率、稳定性和柔性的影响因素及机制。这种耐高温树脂网络化的形貌有效阻止了光伏给受体在高温下的分子蠕动行为，提升了OPV器件的稳定性。并且聚芳醚之间的链缠结效应也阻止了光伏给受体分子在高拉伸强度下的断裂行为，提升了活性层的拉伸性能和器件的柔性。该工作也首次使用了原位广角X 射线衍射拉伸测试表征了光伏活性层薄膜的拉伸形变行为。研究发现，耐高温聚芳醚树脂在给受体活性层内可能存在着电子隧穿效应，因此上述策略并不会大幅降低器件的光电转化效率。在器件光电转化效率(PCE)保持15.17%基础上，活性层的断裂伸长率可以高达25.07%，这是目前高效有机太阳能电池(PCE>8%)的最高值。上述工作为提升OPV 器件的稳定性和柔性提供了一种通用性策略，并为其在未来柔性能源领域的产业化应用提供一种行之有效的方法。
据介绍，该所先进有机功能材料与器件团队韩建华博士和大连理工大学鲍锋博士为论文共同第一作者，论文通讯作者为包西昌研究员和阳仁强研究员、王锦艳教授和杨春明研究员。
混凝土是目前用量最大的建筑材料，耐久性强，造价便宜，可塑性强，能按使用要求做成任何形状。但随着建筑工程使用要求越来越高，自流平等功能性混凝土就应运而生了。随自流平混凝土避免了振捣，能靠自身重力而自动流平，但也存在一些自身的问题。本文通过试配C60自流平混凝土，在胶凝材料、砂石、外加剂、拌合用水等原材料均一样的情况下，改变粉煤灰掺量，研究粉煤灰掺量对C60高自流平混凝土拌合性能、力学性能及收缩性能的影响。
1 原材料
1.1 水泥
采用广州金羊水泥有限公司生产的P·Ⅱ52.5R水泥，其主要物理性能技术指标见表1，化学性能技术指标见表2，均符合GB175-2007标准的技术要求。
1.2 粉煤灰
采用佛山市恒益环保建材有限公司的C类II级粉煤灰，其主要性能指标均达到GB/T1596-2017[2]标准的技术要求，详见表3。
1.3 砂
砂：采用中山中砂，其各项物理指标如表4所示，均满足JGJ52-2006的技术要求，见表4。
1.4 碎石
碎石：选用5～20mm连续级配碎石，其各项物理指标如表5所示，均满足JGJ52-2006的技术要求，见表5。
1.5 外加剂
采用到臻恒高效减水剂，其主要性能指标如表6所示，其各项指标均满足GB8076-2008的要求，见表6。
1.6 膨胀剂
采用武汉三源特种建材有限责任公司生产的SY-G型膨胀剂，主要性能指标见表7所示，其主要性能指标均符合GB/T23439-2017标准技术要求，见表7。
1.7 水
拌合用水采用自来水，符合JGJ63-2006的技术要求。
2 配比设计及检测项目
2.1 配比设计
按照《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011进行设计，C60混凝土试配强度为60×1.15=69.0MPa。通过查标准各原材料建议比例和用量，并按照试配经验进行调整，实际C60混凝土配合比如表8所示。
按照表8设计的配合比进行试配，改变粉煤灰内掺掺量，研究粉煤灰掺量对C60自流平混凝土拌合性能、力学性能及收缩性能的影响。
2.2 检测依据及检测项目
坍落度和扩展度，按照GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测定。混凝土的抗压强度按GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》的规定进行。收缩性能按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测定。
3 试配结果及分析
3.1 粉煤灰掺量对C60自流平混凝土拌合性能的影响
在保证砂石、外加剂、胶凝材料总量、拌合用水等原材料均不改变的情况下，仅调整粉煤灰掺量，测试C60自流平混凝土的拌合性能如表9所示。
由表9可以看出，粉煤灰掺量对C60自流平混凝土的拌合性能影响很大，随着粉煤灰掺量的增加混凝土坍落度和扩展度呈现不断增加的趋势，同时和易性变好，这是因为粉煤灰中的微珠是球状的，发挥了滚珠效应，降低了拌合物的粘度，从而改善了拌合性能。
3.2 粉煤灰掺量对C60自流平混凝土抗压强度的影响
按设计配比进行试配，改变粉煤灰掺量测试得到C60自流平混凝土抗压强度，详见表10所示。
由表10可以看出，随着粉煤灰掺量的不断增加，C60自流平混凝土的抗压强度不断降低。这是因为粉煤灰活性非常低，虽然具有滚珠润滑效应，但对强度提升帮助不大，从而使得混凝土强度降低。由于粉煤灰掺量增加，使得水泥比例降低，虽然水胶比不变，使得拌合物真实的水灰比增加。因此，在大掺量粉煤灰的情况下，需要考虑粉煤灰超掺取代水泥用量，等量取代水泥会严重降低混凝土强度。在粉煤灰按等量取代水泥的情况下，粉煤灰掺量不宜超过20%。超过30%抗压强度就有明显的降低。
3.3 粉煤灰掺量对C60自流平混凝土收缩性能的影响
通过试配，按设计的配合比进行测试，按标准GB/T50082-2009进行测试，由于C60自流平混凝土胶凝材料用量高，同时砂率很高，收缩性能便是一个重要的参数，需要对其进行测试。具体测试结果如表11所示。
由表11可见，粉煤灰掺量对C60自流平混凝土收缩性能有一定的影响，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土28d收缩率不断降低。这是因为水泥水化产物体积相对于水化前有一定的减少，因此才会出现收缩的现象。而随着粉煤灰掺量的增加，水化产物相对减少，从而28d收缩率呈现出不断降低的现象。通过掺加了膨胀剂，收缩率得到了控制，普遍不高。
4 结论
（1）对于C60自流平混凝土而言，粉煤灰掺量对混凝土拌合物有很大影响，随着粉煤灰掺量的增加，拌合物坍落度和扩展度不断升高。
（2）随着粉煤灰掺量的增加，C60自流平混凝土抗压强度不断降低，建议配制C60自流平混凝土时，粉煤灰掺量不宜超过20%，如要大掺量使用粉煤灰，建议按超掺系数进行掺加。
（3）粉煤灰掺量对C60自流平混凝土收缩性能有一定影响，随着粉煤灰掺量增加，收缩率不断降低。掺加膨胀剂可有效降低收缩率。
摘自：《混凝土与水泥制品》公众号
1 原材料
1.1 水泥
采用广州金羊水泥有限公司生产的P·Ⅱ52.5R水泥，其主要物理性能技术指标见表1，化学性能技术指标见表2，均符合GB175-2007标准的技术要求。
1.2 粉煤灰
采用佛山市恒益环保建材有限公司的C类II级粉煤灰，其主要性能指标均达到GB/T1596-2017[2]标准的技术要求，详见表3。
1.3 砂
砂：采用中山中砂，其各项物理指标如表4所示，均满足JGJ52-2006的技术要求，见表4。
1.4 碎石
碎石：选用5～20mm连续级配碎石，其各项物理指标如表5所示，均满足JGJ52-2006的技术要求，见表5。
1.5 外加剂
采用到臻恒高效减水剂，其主要性能指标如表6所示，其各项指标均满足GB8076-2008的要求，见表6。
1.6 膨胀剂
采用武汉三源特种建材有限责任公司生产的SY-G型膨胀剂，主要性能指标见表7所示，其主要性能指标均符合GB/T23439-2017标准技术要求，见表7。
1.7 水
拌合用水采用自来水，符合JGJ63-2006的技术要求。
2 配比设计及检测项目
2.1 配比设计
按照《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011进行设计，C60混凝土试配强度为60×1.15=69.0MPa。通过查标准各原材料建议比例和用量，并按照试配经验进行调整，实际C60混凝土配合比如表8所示。
按照表8设计的配合比进行试配，改变粉煤灰内掺掺量，研究粉煤灰掺量对C60自流平混凝土拌合性能、力学性能及收缩性能的影响。
2.2 检测依据及检测项目
坍落度和扩展度，按照GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测定。混凝土的抗压强度按GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》的规定进行。收缩性能按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测定。
3 试配结果及分析
3.1 粉煤灰掺量对C60自流平混凝土拌合性能的影响
在保证砂石、外加剂、胶凝材料总量、拌合用水等原材料均不改变的情况下，仅调整粉煤灰掺量，测试C60自流平混凝土的拌合性能如表9所示。
由表9可以看出，粉煤灰掺量对C60自流平混凝土的拌合性能影响很大，随着粉煤灰掺量的增加混凝土坍落度和扩展度呈现不断增加的趋势，同时和易性变好，这是因为粉煤灰中的微珠是球状的，发挥了滚珠效应，降低了拌合物的粘度，从而改善了拌合性能。
3.2 粉煤灰掺量对C60自流平混凝土抗压强度的影响
按设计配比进行试配，改变粉煤灰掺量测试得到C60自流平混凝土抗压强度，详见表10所示。
由表10可以看出，随着粉煤灰掺量的不断增加，C60自流平混凝土的抗压强度不断降低。这是因为粉煤灰活性非常低，虽然具有滚珠润滑效应，但对强度提升帮助不大，从而使得混凝土强度降低。由于粉煤灰掺量增加，使得水泥比例降低，虽然水胶比不变，使得拌合物真实的水灰比增加。因此，在大掺量粉煤灰的情况下，需要考虑粉煤灰超掺取代水泥用量，等量取代水泥会严重降低混凝土强度。在粉煤灰按等量取代水泥的情况下，粉煤灰掺量不宜超过20%。超过30%抗压强度就有明显的降低。
3.3 粉煤灰掺量对C60自流平混凝土收缩性能的影响
通过试配，按设计的配合比进行测试，按标准GB/T50082-2009进行测试，由于C60自流平混凝土胶凝材料用量高，同时砂率很高，收缩性能便是一个重要的参数，需要对其进行测试。具体测试结果如表11所示。
由表11可见，粉煤灰掺量对C60自流平混凝土收缩性能有一定的影响，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土28d收缩率不断降低。这是因为水泥水化产物体积相对于水化前有一定的减少，因此才会出现收缩的现象。而随着粉煤灰掺量的增加，水化产物相对减少，从而28d收缩率呈现出不断降低的现象。通过掺加了膨胀剂，收缩率得到了控制，普遍不高。
4 结论
（1）对于C60自流平混凝土而言，粉煤灰掺量对混凝土拌合物有很大影响，随着粉煤灰掺量的增加，拌合物坍落度和扩展度不断升高。
（2）随着粉煤灰掺量的增加，C60自流平混凝土抗压强度不断降低，建议配制C60自流平混凝土时，粉煤灰掺量不宜超过20%，如要大掺量使用粉煤灰，建议按超掺系数进行掺加。
（3）粉煤灰掺量对C60自流平混凝土收缩性能有一定影响，随着粉煤灰掺量增加，收缩率不断降低。掺加膨胀剂可有效降低收缩率。
摘自：《混凝土与水泥制品》公众号
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