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北化大李韦伟教授课题组《ANGEW》:调控双缆共轭高分子的给受体相容性,实现效率为8.4%的单组分有机太阳能电池

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双缆共轭高分子是以共轭主链为给体、芳香侧链为受体的支化高分子,可以在分子内实现激子的产生与扩散、电荷的分离与传输。所以,双缆共轭高分子可以作为单一组分应用到吸光层中,制备单组分有机太阳能电池。这类电池具有热稳定性好、制备工艺简单的特点,具有应用的潜力,但是光电转换效率(<6.4%)远低于双组分有机太阳能电池(~18%)。设计新的双缆共轭高分子材料、发展新的形貌调控方法、揭示光电转换的物理机制,是提高单组分有机太阳能电池性能的关键科学问题。


双缆共轭高分子中给体与受体的距离短(<2 nm),自由电子与空穴在传输过程中极易发生复合,从而降低光电转换效率。所以,以往的研究聚焦于如何调控给受体的结晶性,实现有序的纳米相分离结构,以减少电子与空穴的复合。但是,有序的结构往往减少给体与受体的接触面积,使得激子分离为自由电荷的效率降低。单组分有机太阳能电池中,激子分离过程往往被忽视。

图1. a)单组分有机太阳能电池器件与双缆共轭高分子的结构示意图。b)与c)双缆共轭高分子JP01与JP02的分子结构。


近日,北京化工大学李韦伟教授课题组设计制备了两种含萘酰亚胺受体侧链的双缆共轭高分子材料JP01与JP02。这两种高分子具有相似的共轭给体主链与受体侧链,同时在共轭主链的不同位点上引入氯原子。DSC差热分析与接触角测试表明,氯原子的位置可以有效调控给体与受体的相容性。其中,JP02的给体主链与受体侧链相比于JP01具有较好的相容性,使得JP02薄膜在无定性区域中给体与受体有更多的界面接触。稳态荧光与瞬态吸收的测试证明了,界面面积的增加显著地提高激子分离的效率。所以,以JP02作为吸光层的单组分有机太阳能电池获得了当前最高的光电转换效率8.4%,其中,外量子效率与填充因子分别达到75%和0.69,接近双组分太阳能电池的性能。而给受体相容性较差的JP01应用于单组分电池中,仅获得了5.06%的光电转换效率。值得指出的是,萘酰亚胺的引入,大幅度提高了双缆共轭高分子的溶解性。采用非芳香性溶剂四氢呋喃溶解JP02,制备电池器件,可以获得7.18%的光电转换效率。


图2. a)JP01与JP02的DSC分析与稳定荧光分析曲线。b)高分子的结晶部分堆积示意图、激子分离与电荷传输过程示意图。c)单组分有机太阳能电池的J-V与外量子效率曲线。


综上所述,该工作揭示了单组分有机太阳能电池中激子分离过程的重要性,并发展出提高激子分离效率的分子设计策略,从而实现单组分有机太阳能电池的光电转换效率的新突破。相关研究为实现高性能的单组分有机太阳能电池提供了坚实的实验基础。


原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202009272


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