中科院化學所Adv. Energy Mater. : 烷基甲硅烷基側鏈結構對共軛聚合物供體光伏性能的影響

【引言】

近年來，以p型共軛聚合物為供體，n型有機半導體為受體的聚合物太陽電池引起了研究人員的廣泛關注。對于受體而言，非富勒烯結構的n型有機半導體成為研究熱點。聚合物太陽電池的能量轉化效率與開路電位、短路電流密度和填充因子息息相關。開路電位主要由受體材料的最低未占據分子軌道能級和供體材料的最高占據分子軌道能級決定。短路電流密度取決于光吸收光譜、激子分離效率、光吸收材料的電荷載流子移動率。填充因子與器件的電荷載流子移動率和串聯電阻有關。在調節光伏材料的電子能級和聚集性能方面，聚合物側鏈的調節至關重要。在光伏材料的側鏈調節中，除了化學組成之外，側鏈的尺寸和構型同樣會對材料的結晶度、π堆積取向、電荷轉移和光伏性能有關鍵的影響。側鏈的調節對于n型有機半導體受體也是十分重要的。

【成果簡介】

近日，中科院化學所的李永舫院士和張志國副研究員，美國北卡州立大學的Harald Ade教授（共同通訊作者）等人在Advanced Energy Materials上發表最新研究成果“Effect of Alkylsilyl Side-Chain Structure on Photovoltaic Properties of Conjugated Polymer Donors”。在該文中，研究者通過改變J71的烷基甲硅烷基側鏈的烷基取代基合成了四種新的聚合物（J70、J72、J73和J74），研究了烷基甲硅烷基側鏈結構對中等禁帶寬度的聚合物供體的光伏性質的影響。研究發現：較短和線性的烷基甲硅烷基側鏈能夠提供有序的分子堆積、較強的光吸收系數和較高的電荷載流子的移動率，使器件的短路電流密度和填充因子較高。然而，較長或者分枝的烷基取代表現出較低的最高占據分子軌道能級，使器件有較高的開路電位。基于J70：m-ITIC和J71：m-ITIC的器件能夠分別獲得11.62和12.05%的效率，這是目前為止聚合物太陽電池的最高效率。

【圖文導讀】

示意圖1 受體材料和供體材料的結構及合成

（a）J70-J74 和 m-ITIC的分子結構

（b）聚合物的合成途徑

圖1 聚合物的光吸收性質及其能級位置

（a）聚合物薄膜的吸收光譜

（b）聚合物和m-ITIC（質量比=1：1.5）的混合膜的吸收光譜

（c）電壓掃速為20 mV s^-1、0.1mol L^-1 的n-Bu₄NPF₆乙腈溶液下，聚合物/玻碳電極的循環伏安曲線圖

（d）聚合物供體和m-ITIC受體的能級示意圖

圖2 光致發光光譜圖

（a-e）聚合物以及聚合物與m-ITIC混合膜的光致發光光譜

（f）m-ITIC以及與五種聚合物形成的混合膜的光致發光光譜圖

圖3 AFM和GIWAXS圖

（a）五種聚合物膜的AFM高度圖

（b）五種聚合物膜的GIWAXS圖譜

（c）m-ITIC膜的GIWAXS圖譜

（d）聚合物膜和m-ITIC膜的GIWAXS圖譜的IP圖

（e）聚合物膜和m-ITIC膜的GIWAXS圖譜的OOD線切割圖

圖4 聚合物太陽電池性能表征

（a）AM1.5G 100 mW cm^?2光照，150℃焙燒2分鐘，聚合物供體和m-ITIC受體的質量比為1：1.5條件下，聚合物電池的J-V特征曲線

（b）相應的聚合物電池的光電轉換效率圖

（c）光照強度決定的短路電流密度圖

（d）最佳器件的J_ph-V_eff圖

【小結】

在這項工作中，研究者在J71的基礎上，研究了烷基甲硅烷基側鏈三種烷基取代基的長度和構型對聚合物供體的光伏性質的影響。研究表明：較短和線性的烷基取代有利于提高短路電流密度和填充因子，而較長或者分支的烷基取代則有利于獲得較高的開路電壓。最優化器件的能量轉化效率可達到12.05%。這是目前為止聚合物太陽電池的最高效率。 該研究有利于進一步設計和合成高效的共軛聚合物供體材料，促進聚合物太陽能電池實際應用市場的發展。

文獻鏈接：Effect of Alkylsilyl Side-Chain Structure on Photovoltaic Properties of Conjugated Polymer Donors（Adv. Energy Mater.，2017，DOI: 10.1002/aenm.201702324）

本文由材料人編輯部實習生馬永超編譯，黃超審核，點我加入材料人編輯部。

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