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AM:8.78%!新型聚合物受体使全聚合物太阳能电池效率再攀新高

AM:8.78%!新型聚合物受体使全聚合物太阳能电池效率再攀新高

AM:8.78%!新型聚合物受体使全聚合物太阳能电池效率再攀新高

AM:8.78%!新型聚合物受体使全聚合物太阳能电池效率再攀新高 

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成果简介

AM:8.78%!新型聚合物受体使全聚合物太阳能电池效率再攀新高

近日华侨大学黄剑华博士中国科学院光化学研究所詹传郎研究员、香港科学技术大学颜河教授刘焘博士(共同通讯作者)Advanced Materials上发表文章,报道了一种非富勒烯受体(BTTIC)。以往,在全聚合物太阳能电池(all-PSC)领域中,所有效率超过8%的有效聚合物受体都是以酰亚胺或二氰基乙烯为基础的。该工作合成了一种基于B←N键的缺电子单元,即BNIDT。通过将BNIDT与噻吩和3,4-二氟噻吩共聚,分别开发了两种新型共轭聚合物BN-T和BN-2fT。使用PBDB-T作为供体,使用BN-2fT作为受体,PSC效率达到8.78%。除了基于酰亚胺和二氰基乙烯型受体的器件,该工作构筑的太阳能电池达到了所有PSC中最高的效率。

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研究背景

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非富勒烯聚合物太阳能电池已经得到了广泛的研究。在实验室条件下,最先进的单结器件使用小分子作为受体材料,当器件面积低于0.05 cm2时,器件效率超过16%。另一类非富勒烯受体是聚合物受体,使用聚合物供体和受体制成的有机太阳能电池称为全聚合物太阳能电池小分子受体和聚合物受体都具有较高的柔韧性、可控且较强的光吸收能力以及优异的溶液加工性等优点。与基于小分子受体的设备相比,全PSC具有如下优点:(i)消光系数高的宽吸收带,可以在整个可见光和近红外区域进行调节;(ii)出色的机械柔韧性和耐用性(iii)具有长共轭长度的n型和p型聚合物形成的电子和空穴具有高迁移率和双连续电荷传输路径。所有这些特性在很大程度上依赖于缺电子单元。缺电子单元通过与其他共轭部分共聚来建立聚合物受体。为了使全PSCs进一步发展,必须通过开发多样化的构件,特别是新的缺电子单元来扩大聚合物受体库。

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图文导读

AM:8.78%!新型聚合物受体使全聚合物太阳能电池效率再攀新高

全聚合物太阳电池器件的最高效率为11-12%左右。能实现高效率(> 8%)的聚合物光伏受体材料种类非常有限,全部都是基于两大类电子构筑单元(图一所示):一类是酰亚胺类如萘酰亚胺(NDI)、苝酰亚胺(PDI)等经典的染料分子;另一类是基于二氰基乙烯类(IDIC)缺电子单元。该研究设计合成了一类含B←N配位键的新型缺电子单元BNIDT。这是一个强缺电子单元,具有强的电子亲和性、良好的骨架平面性和较强的分子间作用力。进一步利用这个新型单元与噻吩和3, 4-二氟噻吩共聚,得到两个新型共轭聚合物BN-T和BN-2fT。 

AM:8.78%!新型聚合物受体使全聚合物太阳能电池效率再攀新高Scheme 1 新型电子构筑单元的合成路线

(a) 效率超过8%的缺电子单元,可用于构建聚合物受体;

(b) 本工作所报道的BNTT单元和新的BNIDT缺电子单元以及BN‐T 和BN‐2fT共聚物;

(c) BNIDT合成路线;

(d) 共聚物合成路线。

研究BNIDT-6的单晶结构和光电特性BNIDT-6的X射线衍射晶体学显示了骨架和苯环垂直排列在骨架上的精确共面性。B←N长度略大于B-C 3共价键长度,表明B←N配位的键强度相对较弱。小的主链距离和强烈的分子间相互作用可以促进主链之间的电荷传输,而垂直取向的苯基则可以防止主链过度聚集。将吸电子的B嵌入共轭骨架中后,整个主链从富电子(带负电)转变为缺电子(带正电),从而导致带隙减小和BNIDT的能级降低,符合理想光伏聚合物受体的特征。 

AM:8.78%!新型聚合物受体使全聚合物太阳能电池效率再攀新高图1 单晶结构和光电特性

(a) BNIDT-6的单晶结构的正面图;

(b) BNIDT-6的单晶结构的侧视图;

(c) BNIDT-6的单晶结构的堆积结构;

(d) Pz‐T‐6, BNIDT‐6和 IDT的HOMO和Lumo能级图;

(e) Pz‐T‐6, BNIDT‐6和 IDT的EPS图。

通过测定紫外-可见吸收光谱,研究了共聚物的吸收能力。无论是溶液吸收还是薄膜吸收,BN‐T 和 BN‐2fT 在350-550和550-800 nm处显示出两个宽的吸收带,覆盖了大部分可见辐射。结果表明基于B←N键的嵌入聚合物具有强大的电化学稳定性BN‐T和BN‐2fT的较深的HOMO和LUMO使它们与大多数典型的聚合物供体相兼容,表明基于B←N键的嵌入聚合物适合作为聚合物受体

AM:8.78%!新型聚合物受体使全聚合物太阳能电池效率再攀新高图2 光吸收能力

(a) BN-T和BN-2FT在稀释溶液和薄膜中的UV-VIS吸收光谱;
(b) BN-T和BN-2fT的循环伏安曲线。

B3LYP/631G (d, p) 水平上,选择了4个重复单元用于高斯模拟。BN-T四聚体的计算结果表明,由于侧链对BNIDT造成空间效应,噻吩和BNIDT单元之间的骨架构型扭曲,二面角分别为13°和27°更改为氟化噻吩后,BN-2fT的四聚体的最佳构型与3,4-二氟噻吩和BNIDT的二面角接近0°,明显共面。一方面,这种出色的骨架共平面性是由于F⋅⋅⋅S,的分子内互锁力造成的对于有序的链间堆叠有利。另一方面,垂直取向的苯基会阻碍主链的过度聚集,这在应用于所有PSC时有助于形成有利的微观形态。

AM:8.78%!新型聚合物受体使全聚合物太阳能电池效率再攀新高图3 BN‐T和BN‐2fT四聚体重复单元的分子构型和EPS图

采用顶栅/底接触(TGBC)配置的OTFT,研究BN-T和BN-2fT的载流子迁移率。BN-T和BN-2fT都显示双极性传输特性结果表明,将BN-2fT用作n型半导体,其传输特性优于BN-T。对于PBDB-T / BN-2fT系统,该设备的VOC0.93 vJsc13.37mA cm−2FF70.4%,并达到8.78%的高效率。除了基于酰亚胺和二氰基乙烯型受体的器件外,该效率是所有PSC迄今为止的最高值。以往报道的B←N基聚合物受体的FF通常低于50%,而该工作的FF值为70.4%。FF值的提高可以归因于较高的平衡载流子迁移率和良好的薄膜形态

AM:8.78%!新型聚合物受体使全聚合物太阳能电池效率再攀新高图4 光电性能

(a) BN-T双极性OTFT的传输特性曲线;

(b) BN-2fT的双极性OTFT的传输特性曲线;

(c) PBDB-T的分子结构;

(d) 本工作采用的器件结构;

(e) J – V曲线;

(f) EQE光谱。

AFM相位图像显示PBDB-T:BN-T和PBDB-T:BN-2fT均形成了互穿网络的纳米结构,提供了电荷传输的有效途径整齐的PBDB-T膜在面内(IP)层状填料和外平面(OOP)方向掠射入射广角X射线散射GIWAXS模式中,在OOP方向上观察到明显的π–π堆叠信号,表明PBDB-T在基板上优先呈面对面取向。在BN‐T和BN‐2fT的GIWAXS模式中没有观察到明显的信号,这表明B←N基嵌入聚合物在旋涂膜中是非晶态的,这可能与空间位阻有关,即垂直取向的苯基的化学作用阻碍主链结晶。PBDB-T:BN-T和PBDB-T:BN-2fT共混膜与原始PBDB-T共混膜的(100)和(010)散射几乎不变表明PBDB-T的堆积顺序和取向没有被共混膜中的聚合物受体打断。结果表明PBDB-T优先采面对面取向,并且含无定形B或N-聚合物包围这些供体颗粒,形成连续互穿双网络。 

AM:8.78%!新型聚合物受体使全聚合物太阳能电池效率再攀新高图5 薄膜形貌和分子堆积

(a) PBDB‐T:BN‐T的AFM相位和TEM图像;

(b) PBDB‐T:BN‐2fT的AFM相位和TEM图像;

(c) PBDB‐T:BN‐T的GIWAXS模式;

(d) PBDB‐T:BN‐2fT的GIWAXS模式;

(e) IP和OOP方向上的线切割轮廓;

(f) 根据GIWAXS提出的混合膜内的堆垛结构。

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小.结

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该工作开发出一种B←N嵌入式单元,即BNIDT,该单元具有共面主链、强的分子间相互作用、降低的能级和强电子缺陷等性质。以噻吩和3,4-二氟噻吩单元与BNIDT共聚,分别合成了两种新型的基于B←N的聚合物,即BN-T和BN-2fT。BN-T和BN-2fT具有很强的光吸收能力和较低的能级。OTFTs结果表明BN‐T和BN‐2fT具有双极传输。使用PBDB-T作为供体,基于BN-T和BN-2fT的所有PSC分别提供适中的PCE(4.03%)和高的PCE(8.78%)。与基于BN-T的设备相比,高的µ hµ e平衡值,抑制了双分子的复合,达成有效的激子解离和电荷收集。对于基于BN-2fT的设备,这种高达8.78%的高效率促使研究者们继续关注BNIDT及其衍生物的B←N嵌入式单元,并寻求进一步提高设备性能的方法。

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文献信息

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8.78% Efficient All‐Polymer Solar Cells Enabled by Polymer Acceptors Based on a B←N Embedded Electron‐Deficient Unit.( Advanced Materials.2019, DOI: 10.1002/adma.201904585)

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201904585

供稿丨深圳市清新电源研究院

部门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人 | 举铁人

主编丨张哲旭


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