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富勒烯?非富勒烯?新型无规共聚物给体“通吃”

2017-12-21 X-MOL X一MOL资讯

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与传统的硅基太阳能电池相比,有机太阳能电池尽管光电转换效率(PCE)及稳定性有较大差距,但电池成本低、柔性高、工艺简单且环境友好等优点还是让其很有希望成为下一代电池。在过去十数年中,传统的有机太阳能电池使用聚合物为给体材料、富勒烯衍生物PCBM为受体材料,两者共混后作为电池的吸光层,目前基于富勒烯受体的有机太阳能电池的效率已经超过了11%。近几年,非富勒烯受体材料发展相当迅速,这要归因于非富勒烯受体较强及可调的吸收、可调的能级、较低的成本以及合成的灵活性。不过,之前的很多适用于富勒烯受体材料的聚合物给体材料,却并不是与非富勒烯受体相匹配的最好选择,反之亦然。能够设计合成出同时适用于富勒烯受体体系及非富勒烯受体体系的聚合物给体材料非常困难。


无规共聚作为一类非常有潜力的合成策略,可以精细调节产物形貌、电荷传输、电子能级以及带隙,是一种可以提高聚合物产品光伏性能的优秀途径。不过,无规共聚也存在问题。由于不规则的聚合,分子间的堆积及电荷传输会出现很多缺陷。由于噻吩并噻吩由于能形成较大的轨道重合面积而有利于分子间的电荷存储,近期,蔚山国立科学技术研究所(UNIST)的Changduk Yang等人利用无规共聚向聚合物PBDB中引入不同含量的噻吩并噻吩单元,试图对其光电性能进行微调,以取得更优的效果。所得聚合物PBDB-TTn包括苯并二噻吩二酮(BDD)单元和不同比例的苯并二噻吩(BDT)及噻吩并噻吩(TT)单元(图1)。研究者从基本的物理性质(光谱、能级),再到器件、形貌等侧面分别对新聚合物给体材料进行了研究,发现这种聚合物给体材料同时适用于富勒烯受体(PC71BM)体系及非富勒烯受体m-ITIC)体系

图1. 四个PBDB-TTn聚合物的化学结构。图片来源:Adv. Energy Mater.


研究者发现,随着TT成分增加,PBDB-TTn的HOMO能级在变浅(图2b),这主要是由于TT的供电子性增强而导致。从溶液到薄膜,PBDB-TTn的吸收并没有发生明显变化(图2c/d),这说明这几个聚合物在溶液中就发生了聚集。同时,研究者还研究了几个聚合物在溶液中的变温吸收,发现0-0峰随着温度升高强度在降低,愈加证明了几个聚合物在溶液中就发生聚集。

图2. a)所用材料的化学结构;b)不同材料的化学能级;c)四种聚合物的溶液吸收谱图;d)四种聚合物的薄膜吸收谱图。图片来源:Adv. Energy Mater.


研究者使用PBDB-TTn为给体材料,分别使用富勒烯受体(PC71BM)及非富勒烯受体(m-ITIC)材料制备了聚合物太阳能电池。从图3及表1可以看出,不论是传统的基于富勒烯受体的电池,还是基于非富勒烯受体的电池,随着TT含量的变化,其光伏参数也随之发生改变,但是最优聚合物却是同一个。对于两个体系,最适合的聚合物均为TT含量占5%的PBDB-TT5,富勒烯受体(PC71BM)器件及非富勒烯受体(m-ITIC)器件的PCE分别为8.34 ± 0.10%和11.10 ± 0.08%。

图3. a)基于PC71BM或者m-ITIC的电池效率;b)对应的EQE曲线;c)基于PC71BM的电池中随着TT成分改变不同器件参数的变化;d)基于m-ITIC的电池中随着TT成分改变不同器件参数的变化。图片来源:Adv. Energy Mater.


表1. PBDB-TTn : PC71BM与PBDB-TTn : m-ITIC电池器件的光伏参数表。图片来源:Adv. Energy Mater.


研究者进一步分析了TT含量占5%的PBDB-TT5性能最优的原因。如图4a所示,对于TT含量为5%的PBDB-TT5,电子与空穴迁移率均为最高。而且,TT含量为5%的PBDB-TT5,器件中载流子的复合最少,这也与器件效率高直接相关(图4b-d)。

图4. a)随着TT含量变化空穴及电子迁移率的变化;b)随着光强变化短路电流的变化;c)随着光强变化开路电压的变化;d)Jph对有效电压的变化。图片来源:Adv. Energy Mater.


此外,研究者还针对这四种不同聚合物的富勒烯及非富勒烯电池的结晶、形貌、光物理等进行了研究。


综上,研究者通过富勒烯电池与非富勒烯电池两条主线,对于新的无规共聚物给体材料PBDB-TTn进行了细致的研究,工作量非常大,发现了能同时适用于富勒烯电池与非富勒烯电池的最优无规共聚物给体材料,为后续无规共聚物的研究提供了重要借鉴。然而笔者以为对于无规共聚物,目前的研究思路仍然避不开“试错法”。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):

Feasible D1–A–D2–A Random Copolymers for Simultaneous High-Performance Fullerene and Nonfullerene Solar Cells

Adv. Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201702166



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