Nano Energy：氯取代兩維共軛聚合物——甲苯制備聚合物太陽能電池效率達到13.1%

cc 5年前 (2018-04-12) 6743瀏覽

【引言】

聚合物太陽能電池( PSCs )作為一種新興的清潔能源技術，由于其具有半透明性、柔性以及可大面積制備等優點，近年來受到了廣泛關注。近三年來，n型有機半導體(n-OSs)作為非富勒烯(NF)受體在高性能PSCs中得到了蓬勃發展，這是因為與傳統富勒烯衍生物相比，n型有機半導體具有前體來源廣泛、制備成本低、吸收和能級可調、能量損失小、形貌穩定性高等優點。迄今為止，單結NF-PSCs的功率轉換效率(PCEs)已達到11–13%。在與寬帶隙聚合物共混時，IT-4F基PSCs顯示出高達13.1 %的PCE。由于良好匹配的聚合物給體和n - OS受體在獲得高效PSCs中起著至關重要的作用，因此廣泛的合成變化(如原子取代、側鏈修飾和引入芳族稠環)被用于優化高性能聚合物給體。其中原子取代，特別是氟(F)原子取代氫原子引起了人們的廣泛關注，并在分子設計中得到了廣泛的應用

【成果簡介】

近日，來自蘇州大學的張茂杰教授（通訊作者）團隊在Nano Energy發文，題為：“Chlorine substituted 2D-conjugated polymer for high-performance polymer solar cells with 13.1% efficiency via toluene processing”。研究人員設計并合成了一種新的D-A型兩維共軛聚合物PM7，它含有氯化噻吩基苯并二噻吩( BDT - 2Cl )給體單元和苯并二噻吩-4，8-二酮受體單元。與無氯取代的對照聚合物PBDB-T相比，PM7具有較低的HOMO能級、較高的吸收系數、較強的結晶性和較高的載流子遷移率。此外，以PM7為給體、IT-4F為受體的光伏器件在使用非鹵溶劑甲苯做溶劑時，在獲得0.88 V的高開路電壓、20.9 mA·cm-2的短路電流密度的同時，填充因子( FF )為71.1 %的，從而取得了13.1 %的能量轉化效率( PCE )。而相同條件下， PBDB - T : IT - 4F體系的PSC在低Voc為0.67 V的條件下僅表現出5.8 %的低PCE。13.1%的PCE是迄今為止報告的非鹵溶劑制備的光伏器件能量轉化效率最高值之一。這些結果表明，氯取代是設計高性能共軛聚合物光伏材料的一種簡單有效的策略。

【圖文導讀】

圖1. 合成示意圖

(a) PM7合成路線；

(b) 在B3LYP/6–31G*(d, p)級DFT計算得到的HOMO和LUMO電子分布以及能級；

(c) 單體在濃度為1×10 – 5M甲苯溶液中的吸收光譜；

圖2. 分子能級結構

(a) 分子結構

(b) 聚合物給體和非富勒烯受體IT-4F的吸收光譜；

(c) 聚合物給體和非富勒烯受體IT-4F的分子能級圖；

圖3. 光伏性能測試

(a) 在5G光源(100?mW?cm-2)照射下的J-V曲線；

(b) PM7：IT-4F共混制備的PSCs的EQE曲線;

(c) PM7：IT-4F共混制備的PSCs活性層厚度與PCE的關系趨勢圖；

(d) Jph vs Veff；

(e) PM7：IT-4F共混制備的PSCs中Voc隨光強的變化；

(f) PM7：IT-4F共混制備的PSCs中Jph隨光強的變化；

圖4. 二維GIWAXS表征

(a)純聚合物及相關共混膜的二維GIWAXS剖面及相應的( b ) IP和( c ) OOP線切；

(d)共混膜的RSoXS散射分布。

【總結】

研究人員設計合成了基于一種新的含氯的BDT-2Cl給體單元的聚合物PM7，并將其作為給體應用于非富勒烯有機太陽能電池。與傳統的分子主鏈上帶有氯取代基的氯化聚合物不同，PM7在聚合物共軛側鏈上氯化，有利于減弱Cl原子在聚合物主鏈上的空間位阻效應。與PBDB-T相比，PM7具有較低的HOMO能級、較高的吸收系數、較強的結晶性和較高的載流子遷移率。此外，基于PM7: IT-4F的甲苯作溶劑的光伏器件得到了Voc為0.88 V、Jsc為20.9 mA·cm - 2和FF為71.1 %的情況下，PCE高達13.1 %，而基于PBDB - T : IT - 4F的PSC僅獲得5.3 %的PCE。13.1 %的PCE是迄今為止報道的非鹵溶劑制備的光伏器件的最高值之一。結果表明，氯代是設計高性能聚合物光伏材料的一種簡單、廉價、有效的策略。

導師介紹：

張茂杰，教授，博士生導師。主要研究方向包括：聚合物光伏材料的設計與合成；聚合物太陽能電池器件構筑與器件物理。2008年開始從事有關有機光伏材料與器件相關的科學研究。迄今為止共發表SCI研究論文100余篇，授權中國專利2項。刊物包括Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Chem. Mater.、Macromolecules等。發表論文SCI他人引用4000余次，H因子37。其中，15篇論文單篇他人引用超過100次，12篇論文入選ESI高被引論文，有兩篇論文入選“中國百篇最具影響國際學術論文”。國家優秀青年基金、江蘇省“雙創人才”獲得者。

中國科學化學SCIENCE CHINA Chemistry與中國化學Chinese Journal of Chemistry青年編委。

文獻鏈接：Chlorine substituted 2D-conjugated polymer for high-performance polymer solar cells with 13.1% efficiency via toluene processing, (Nano Energy, 2018, DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.04.002)

本文由材料人新能源學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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