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南昌大学陈义旺教授和谌烈教授研究团队利用无规共聚策略精准调控有机太阳能电池活性层形貌取得新进展
2019-06-06 来源:中国流变网    点击次数:71次    

  近期以来,随着新型给受体材料的出现,有机太阳能电池的发展得到了进一步的提升。在提高有机太阳能电池器件性能的几种重要途径中,相较于短路电流(Jsc)和开路电压(Voc)的优化,填充因子(FF)的提升则更为复杂。一般认为,填充因子受到活性层中电荷传输和激子复合等因素的影响,而这两者又主要由活性层形貌性质所决定。活性层形貌的优化较为常见的方法主要是热退火、溶剂退火和加入添加剂等,但这些额外的后处理都会带来制备工艺的复杂化和大面积制备的障碍。因此,从分子结构设计上达到优化活性层形貌的目的,成为一条更加简单和可行的路径。

  通过无规共聚策略调控聚合物分子能级、吸收光谱和聚集强度是一种十分有效的方法。南昌大学化学学院陈义旺教授和谌烈教授课题组在这一方面做了许多工作:通过将染料分子绕丹宁作为第三组分引入到聚合物N2200中,有效的提高了聚合物的吸光系数,获得了光电转化效率超过8.1%的全聚合物太阳能电池(Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 4580-4584);利用液晶分子四氟苯具有强吸电子能力的特点,作为第三组分引入到聚合物PffBT4T-2OD中,极大地改善了聚合物的室温溶液加工性能,并且在使用非卤素溶剂加工下获得了更优的器件性能(Nano Energy. 2017, 37, 32-39; Nano Energy. 2017, 41, 27-34)。

  近日,该课题组与华盛顿大学Alex K.-Y. Jen教授课题组、上海交通大学刘峰课题组合作,通过无规共聚策略,向聚合物PffBT4T-2OD中引入不同摩尔量的具有自组装能力的第三单元4T2C,得到了三种无规聚合物PffBT4T-4T2C-19/1,PffBT4T-4T2C-9/1和PffBT4T-4T2C-4/1。研究表明,随着第三单元4T2C的引入,聚合物PffBT4T-2OD的强聚集现象得到了有效的减弱,无规聚合物表现出很好的室温溶液加工性能。此外,随着引入量的逐渐增加,三种无规聚合物的聚集强度和结晶性都呈现阶梯状的减弱趋势。更为重要的是,活性层形貌也得到了精准的调控。从活性层透射电镜图中可以清晰的看到,三种活性层样品都具有纳米纤维状的互穿网络结构,而且随着4T2C单元的逐渐增加,活性层相分离尺度呈现一个由小变大的趋势,并在引入量为10%时,获得了一个最合适的相分离尺度。由广角掠入射(GIWAXS)和软X射线散射共振(RSoXS)测试结果可知,无规聚合物PffBT4T-4T2C-19/1,PffBT4T-4T2C-9/1都具有明显的face-on优先取向,这将有助于活性层中的电荷传输。最终,基于聚合物PffBT4T-4T2C-9/1和PCBM为活性层的有机太阳能电池取得了接近80%的填充因子,并达到了10.42%的光电转化效率。值得指出的是,这是在未经过后处理情况下,富勒烯体系中取得的最高填充因子。

图1 三种无规聚合物的合成路线。

图2 (a)三种无规聚合物给体和受体PCBM的能级示意图;(b)三种无规聚合物给体的结晶性变化;(c)三种无规聚合物薄膜的紫外-可见吸收曲线;聚合物溶液紫外-可见吸收曲线(d)PffBT4T-4T2C-19/1;(e)PffBT4T-4T2C-9/1;(f)PffBT4T-4T2C-4/1。

图3 (a)正向器件的I-V曲线图;(b)反向器件的I-V曲线图;(c)反向器件的外量子效率曲线图;活性层透射电镜示意图(d)PffBT4T-4T2C-19/1:PCBM;(e)PffBT4T-4T2C-9/1:PCBM;(f)PffBT4T-4T2C-4/1:PCBM。

  相关工作发表在Nano Energy上,南昌大学化学学院博士研究生谢谦与东华大学廖勋凡副教授为该论文共同第一作者,南昌大学陈义旺教授谌烈教授、华盛顿大学Alex K.-Y. Jen教授和上海交通大学刘峰教授为共同通讯作者。Qian Xie?, Xunfan Liao?, Lie Chen*, Ming Zhang, Ke Gao, Bin Huang, Haitao Xu, Feng Liu*, Alex K.-Y. Jen* and Yiwang Chen*. Random Copolymerization Realized High Efficient Polymer Solar Cells with a Record Fill Factor near 80%, Nano Energy, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.04.048.

  此外,陈义旺教授和谌烈教授课题组还选择具有高结晶性的硅烷基官能化交替共聚物作为聚合物J71(D-A1)母体,并选择平面BDD单元作为第二受体单元(A2)以构建两个D-A1-D-A2型无规共聚物PBDT-TZ-BDD-1/19和PBDT-TZ-BDD-1/9。实验结果发现,当通过无规共聚合将少量BDD单元引入硅烷基官能化共聚物(J71)中时,可以有效地控制能级,光吸收,分子堆积和最终的光伏性能。更重要的是,通过无规共聚引入5%的BDD单元略微打乱了聚合物的周期序列促进了与受体的相溶性,同时少量平面BDD单元的引入增加了聚合物的face-on优先取向,随着无规共聚物增强的π-π堆积以促进电荷转移。最终,无规共聚物基于PBDT-TZ-BDD-1/19为给体材料的有机太阳能电池取得了比聚合物J71更高的器件效率(11.02%),短路电流(JSC)和填充因子(FF)得到了明显的提升。

图4 无规聚合物结构式及太阳能电池器件I-V曲线图。

图5 (a)聚合物纯膜、混合膜的GIWAXS二维图;(b)聚合物纯膜、混合膜的GIWAXS一维图。

  相关工作发表在Solar RRL上,文章第一作者是南昌大学化学学院的硕士研究生雷辉,南昌大学化学学院的博士研究生黄斌为共同一作,南昌大学陈义旺教授谌烈教授为共同通讯作者。Hui Lei, Bin Huang, Lie Chen*, Shanshan Chen, Guodong Xu, Shaorong Huang, Yu Tan, Changduk Yang, Yiwang Chen*. Improvement in the Efficiency of Alkylsilyl Functionalized Copolymer for Polymer Solar Cells: Face-on Orientation Enhanced by Random Copolymerization, DOI: 10.1002/solr.201900122.

  论文链接:

  https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.04.048

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/solr.201900122

 
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