Органічні полімери нового покоління: сталий розвиток, функціональні властивості та застосування
This article provides a comprehensive overview of the latest developments in next-generation organic polymers, with particular attention to their functional properties, structural engineering, and applications in organic solar cells (OSCs). The work summarizes recent advances in the chemistry of con...
Gespeichert in:
| Datum: | 2025 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2025
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/812 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Surface |
Institution
Surface| _version_ | 1869292035154903040 |
|---|---|
| author | Теребінська, М. І. Ткачук, О. І. Філоненко, О. В. Дацюк, А. М. |
| author_facet | Теребінська, М. І. Ткачук, О. І. Філоненко, О. В. Дацюк, А. М. |
| author_institution_txt_mv | [] |
| author_sort | Теребінська, М. І. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-02-12T08:53:33Z |
| description | This article provides a comprehensive overview of the latest developments in next-generation organic polymers, with particular attention to their functional properties, structural engineering, and applications in organic solar cells (OSCs). The work summarizes recent advances in the chemistry of conjugated polymers, donor–acceptor systems, and vitrimer networks, and analyzes the key factors that determine the efficiency, stability, and operational lifetime of organic photovoltaic devices. Special emphasis is placed on molecular design strategies that enable reduced energy losses, enhanced charge-carrier mobility, and extended absorption in the visible and near-infrared spectral regions. The article highlights the scientific breakthroughs that have led to a rapid increase in OSC power conversion efficiencies to beyond 19%, driven by the development of non-fullerene acceptors of the ITIC and Y6/Y7 families, high-performance donor polymers such as PM6 and D18, and refined methods of nanostructural control in the active layer.A detailed examination of donor and acceptor polymers is presented, including their historical evolution, energy-level alignment, optical behavior, and interactions in bulk heterojunction architectures. A substantial part of the review focuses on emerging polymeric acceptors enabling fully polymer-based solar cells (all-PSC). The article describes structural classes of polymeric acceptors–NDI-, PDI-, and BTI-based systems as well as polyimides–their electronic properties, conjugation length, ability to form ordered domains, and their impact on photovoltaic performance. Key morphological parameters of the active layer–phase separation, π–π stacking, molecular orientation, and charge-transport pathways–are analyzed alongside state-of-the-art methods for morphology control, including solvent-vapor annealing, solvent/additive engineering, sequential deposition, and side-chain modification.The manuscript also provides an in-depth analysis of degradation processes that limit the longevity of OSCs, including photo-oxidation, thermal decomposition, morphological evolution, interfacial degradation, and environmental factors such as oxygen and moisture. Physical models describing degradation (Arrhenius kinetics, Flory-Huggins thermodynamics, recombination dynamics) are discussed. Furthermore, the article outlines how molecular engineering of polymers (fluorination, selenation, introduction of electron-withdrawing groups), interface optimization, and advanced encapsulation technologies can significantly enhance the operational stability of devices. Modern stabilization strategies–vitrimer and self-healing polymer networks, oxide interlayers, multi-layer hybrid encapsulation barriers, and machine-learning-based lifetime prediction–are presented.Overall, the article delivers a systematic review of modern polymeric materials for organic electronics and photovoltaics, demonstrating that coordinated optimization of molecular structures, nanoscale morphology, interfaces, and protective barriers forms the foundation for the transition of OSCs from laboratory prototypes to commercially viable technologies. The work outlines the principal scientific challenges in the field and identifies promising research directions aimed at surpassing 20% efficiency, achieving long-term stability, and integrating next-generation organic polymers into practical renewable-energy applications. |
| doi_str_mv | 10.15407/Surface.2025.17.347 |
| first_indexed | 2025-07-22T19:35:57Z |
| format | Article |
| fulltext | |
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-812 |
| institution | Surface |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-29T01:16:43Z |
| publishDate | 2025 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-8122026-02-12T08:53:33Z New generation organic polymers: sustainable development, functional properties and applications Органічні полімери нового покоління: сталий розвиток, функціональні властивості та застосування Теребінська, М. І. Ткачук, О. І. Філоненко, О. В. Дацюк, А. М. organic solar cells organic polymers solar energy conjugated polymers donor-acceptor polymers vitrimers органічні сонячні елементи органічні полімери сонячна енергетика кон’юговані полімери донорно-акцепторні полімери вітримери This article provides a comprehensive overview of the latest developments in next-generation organic polymers, with particular attention to their functional properties, structural engineering, and applications in organic solar cells (OSCs). The work summarizes recent advances in the chemistry of conjugated polymers, donor–acceptor systems, and vitrimer networks, and analyzes the key factors that determine the efficiency, stability, and operational lifetime of organic photovoltaic devices. Special emphasis is placed on molecular design strategies that enable reduced energy losses, enhanced charge-carrier mobility, and extended absorption in the visible and near-infrared spectral regions. The article highlights the scientific breakthroughs that have led to a rapid increase in OSC power conversion efficiencies to beyond 19%, driven by the development of non-fullerene acceptors of the ITIC and Y6/Y7 families, high-performance donor polymers such as PM6 and D18, and refined methods of nanostructural control in the active layer.A detailed examination of donor and acceptor polymers is presented, including their historical evolution, energy-level alignment, optical behavior, and interactions in bulk heterojunction architectures. A substantial part of the review focuses on emerging polymeric acceptors enabling fully polymer-based solar cells (all-PSC). The article describes structural classes of polymeric acceptors–NDI-, PDI-, and BTI-based systems as well as polyimides–their electronic properties, conjugation length, ability to form ordered domains, and their impact on photovoltaic performance. Key morphological parameters of the active layer–phase separation, π–π stacking, molecular orientation, and charge-transport pathways–are analyzed alongside state-of-the-art methods for morphology control, including solvent-vapor annealing, solvent/additive engineering, sequential deposition, and side-chain modification.The manuscript also provides an in-depth analysis of degradation processes that limit the longevity of OSCs, including photo-oxidation, thermal decomposition, morphological evolution, interfacial degradation, and environmental factors such as oxygen and moisture. Physical models describing degradation (Arrhenius kinetics, Flory-Huggins thermodynamics, recombination dynamics) are discussed. Furthermore, the article outlines how molecular engineering of polymers (fluorination, selenation, introduction of electron-withdrawing groups), interface optimization, and advanced encapsulation technologies can significantly enhance the operational stability of devices. Modern stabilization strategies–vitrimer and self-healing polymer networks, oxide interlayers, multi-layer hybrid encapsulation barriers, and machine-learning-based lifetime prediction–are presented.Overall, the article delivers a systematic review of modern polymeric materials for organic electronics and photovoltaics, demonstrating that coordinated optimization of molecular structures, nanoscale morphology, interfaces, and protective barriers forms the foundation for the transition of OSCs from laboratory prototypes to commercially viable technologies. The work outlines the principal scientific challenges in the field and identifies promising research directions aimed at surpassing 20% efficiency, achieving long-term stability, and integrating next-generation organic polymers into practical renewable-energy applications. Стаття присвячена сучасним тенденціям розвитку органічних полімерів нового покоління, зокрема їхнім функціональним властивостям, структурній інженерії та застосуванню в органічних сонячних елементах (ОСЕ). У роботі узагальнено досягнення хімії кон’югованих полімерів, донорно-акцепторних систем та вітримерних мереж, а також проаналізовано ключові фактори, що визначають ефективність, стабільність і довговічність органічних фотоелектричних пристроїв. Значну увагу приділено сучасним підходам до створення полімерів зі зниженими енергетичними втратами, високою рухливістю носіїв заряду та розширеним спектром поглинання у видимому й ближньому інфрачервоному діапазонах. Окремо розглянуто фактори, які обумовили стрімке зростання ефективності ОСЕ до понад 19 % упродовж останнього десятиліття, включно з розвитком нефулеренових акцепторів серії ITIC та Y6/Y7, появою високопродуктивних донорних полімерів (PM6, D18), а також оптимізацією морфології активного шару на нанорівні. У статті надано розгорнутий огляд донорних і акцепторних полімерів, їхньої еволюції, енергетичних характеристик, спектральних властивостей і особливостей взаємодії в об’ємних гетеропереходах. Значна частина роботи присвячена полімерним акцепторам нового покоління, які забезпечують можливість створення повністю полімерних сонячних елементів (all-PSC). Детально описано структурні типи полімерних акцепторів (NDI-, PDI-, BTI- та поліімідні системи), їхні енергетичні рівні, кон’югацію, здатність формувати впорядковані домени та вплив на параметри фотоелектричного перетворення. Розглянуто ключові морфологічні параметри активного шару, включно з фазовим розділенням, π–π стекінгом, орієнтацією ланцюгів і транспортними шляхами носіїв заряду, а також наведено сучасні методи керування наноструктурою: SVA, оптимізацію розчинників, модифікацію бокових ланцюгів полімерів, послідовне нанесення та використання добавок. Окремо проаналізовано процеси деградації та фактори, що обмежують довговічність ОСЕ: фотоокиснення, термічну деструкцію, морфологічну еволюцію, деградацію контактів та вплив кисню й вологи. Розглянуто фізичні моделі, що описують деградацію (рівняння Арреніуса, Флорі–Гаггінса, кінетику рекомбінації), а також показано, як хімічні модифікації полімерів (фторування, селенізація, введення електронодефіцитних груп), інженерія інтерфейсів і застосування бар’єрних інкапсуляційних технологій дозволяють суттєво підвищити стабільність пристроїв. Наведено сучасні стратегії підвищення довговічності, включно зі створенням вітримерних і самовідновлюваних мереж, впровадженням буферних оксидних шарів, розробкою багатошарових бар’єрних структур та використанням алгоритмів машинного навчання для прогнозування деградації. Таким чином, стаття представляє комплексний огляд сучасних полімерних матеріалів для органічної електроніки та фотогальваніки, демонструючи, що системна оптимізація молекулярної структури, морфології, інтерфейсів і захисних бар’єрів створює підґрунтя для переходу органічних сонячних елементів від лабораторних зразків до практичних, комерційно конкурентоспроможних технологій. Робота окреслює основні наукові виклики галузі та перспективні напрями подальших досліджень, пов’язані зі зростанням ефективності понад 20 %, суттєвим покращенням стабільності та впровадженням органічних полімерів нового покоління у промислові енергетичні застосування. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2025-11-26 Article Article application/pdf https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/812 10.15407/Surface.2025.17.347 Surface; No. 17(32) (2025): Surface; 347–382 Поверхность; № 17(32) (2025): Поверхня; 347–382 Поверхня; № 17(32) (2025): Поверхня; 347–382 3154-8091 3154-8083 10.15407/Surface.2025.17 uk https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/812/813 Авторське право (c) 2025 М. І. Теребінська, О. І. Ткачук, О. В. Філоненко, А. М. Дацюк |
| spellingShingle | органічні сонячні елементи органічні полімери сонячна енергетика кон’юговані полімери донорно-акцепторні полімери вітримери Теребінська, М. І. Ткачук, О. І. Філоненко, О. В. Дацюк, А. М. Органічні полімери нового покоління: сталий розвиток, функціональні властивості та застосування |
| title | Органічні полімери нового покоління: сталий розвиток, функціональні властивості та застосування |
| title_alt | New generation organic polymers: sustainable development, functional properties and applications |
| title_full | Органічні полімери нового покоління: сталий розвиток, функціональні властивості та застосування |
| title_fullStr | Органічні полімери нового покоління: сталий розвиток, функціональні властивості та застосування |
| title_full_unstemmed | Органічні полімери нового покоління: сталий розвиток, функціональні властивості та застосування |
| title_short | Органічні полімери нового покоління: сталий розвиток, функціональні властивості та застосування |
| title_sort | органічні полімери нового покоління: сталий розвиток, функціональні властивості та застосування |
| topic | органічні сонячні елементи органічні полімери сонячна енергетика кон’юговані полімери донорно-акцепторні полімери вітримери |
| topic_facet | organic solar cells organic polymers solar energy conjugated polymers donor-acceptor polymers vitrimers органічні сонячні елементи органічні полімери сонячна енергетика кон’юговані полімери донорно-акцепторні полімери вітримери |
| url | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/812 |
| work_keys_str_mv | AT terebínsʹkamí newgenerationorganicpolymerssustainabledevelopmentfunctionalpropertiesandapplications AT tkačukoí newgenerationorganicpolymerssustainabledevelopmentfunctionalpropertiesandapplications AT fílonenkoov newgenerationorganicpolymerssustainabledevelopmentfunctionalpropertiesandapplications AT dacûkam newgenerationorganicpolymerssustainabledevelopmentfunctionalpropertiesandapplications AT terebínsʹkamí organíčnípolímerinovogopokolínnâstalijrozvitokfunkcíonalʹnívlastivostítazastosuvannâ AT tkačukoí organíčnípolímerinovogopokolínnâstalijrozvitokfunkcíonalʹnívlastivostítazastosuvannâ AT fílonenkoov organíčnípolímerinovogopokolínnâstalijrozvitokfunkcíonalʹnívlastivostítazastosuvannâ AT dacûkam organíčnípolímerinovogopokolínnâstalijrozvitokfunkcíonalʹnívlastivostítazastosuvannâ |