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2022 Adv. Energy Mater.:BDF聚合物如何应用于高效有机太阳能电池

Title-苯並二呋喃基聚合物供體

第一作者:李晓明/孙艳明教授课题组

本文亮点

  本文设计并合成了一种基于BDF结构的新型聚合物给体PBDF-NS。该分子以萘取代的BDF为富电子单元,氟化的BTz为缺电子单元,并且其具有较低的HOMO能级(-5.44 eV)和宽光学带隙(1.87 eV)。

  研究发现,聚合物PBDF-NS与受体Y6及其衍生物LC301具有互补的吸收光谱、匹配的能级和优异的网状纤维形貌。当分别使用Y6和LC301作为受体时,基于PBDF-NS:Y6的器件获得了14.26%的PCE,VOC为0.728 V;而基于PBDF-NS:LC301的器件获得高达0.857 V的VOC和15.24%的PCE,是迄今为止基于BDF聚合物的器件效率較高值。

研究动机

  目前,大多数高性能聚合物给体都基于苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩(BDT)结构,然而,其呋喃类似物苯并[1,2-b:4,5-b′]二呋喃(BDF)的尺寸小于BDT,因此对相邻单元产生较弱的空间位阻,并形成更紧密的填充排列。基于BDF的聚合物通常具有较低的HOMO水平,这是由于呋喃具有较强的电负性和较高的电子迁移率,而这一点也有利于实现高开路电压(VOC)。此外,呋喃的生物可降解性和可再生性使BDF聚合物给体更适合未来应用。尽管有这些优点,但目前很少有关于BDF聚合物给体的研究,其中大多数表现出相对较低的PCE。

本文所用仪器

  • solar simulator (SS-F5-3A, Enlitech)
  • solar-cell spectral-response measurement system (QE-R3011, Enlitech)

研究成果说明

  有机太阳能电池(OSCs)以其低成本、轻量化、灵活性和半透明等独特优势,在过去十年中取得了重大进展。近年来,为了获得高光电转换效率(PCE)和长期稳定性,高性能聚合物给体和电子受体的设计和合成以及体异质结OSCs器件的优化成为研究热点。对于非富勒烯受体,主要以ITIC、Y6及其衍生物为代表,它们具有很强的电子亲和力和可调节的分子结晶性。对于聚合物给体,目前也已经开发了各种类型的共轭聚合物,例如PM6、PBDB-T等。为了获得高性能的OSCs,聚合物给体和电子受体应具有互补的吸收、匹配的能级和良好的3D互穿网络,以促进激子分离和载流子传输。
  目前,大多数高性能聚合物给体都基于苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩(BDT)结构,然而,其呋喃类似物苯并[1,2-b:4,5-b′]二呋喃(BDF)的尺寸小于BDT,因此对相邻单元产生较弱的空间位阻,并形成更紧密的填充排列。基于BDF的聚合物通常具有较低的HOMO水平,这是由于呋喃具有较强的电负性和较高的电子迁移率,而这一点也有利于实现高开路电压(VOC)。此外,呋喃的生物可降解性和可再生性使BDF聚合物给体更适合未来应用。尽管有这些优点,但目前很少有关于BDF聚合物给体的研究,其中大多数表现出相对较低的PCE。我们相信通过合理的分子设计,基于BDF给体聚合物的性能可以是有机会超过基于BDT的给体聚合物。

BDF 不同结构分子性质比较

图1.不同结构分子性质比较

  在之前工作的基础上,孙艳明教授团队设计并合成了一种基于BDF结构的新型聚合物给体PBDF-NS。该分子以萘取代的BDF为富电子单元,氟化的BTz为缺电子单元,并且其具有较低的HOMO能级(-5.44 eV)和宽光学带隙(1.87 eV)。研究发现,聚合物PBDF-NS与受体Y6及其衍生物LC301具有互补的吸收光谱、匹配的能级和优异的网状纤维形貌。当分别使用Y6和LC301作为受体时,基于PBDF-NS:Y6的器件获得了14.26%的PCE,VOC为0.728 V;而基于PBDF-NS:LC301的器件获得高达0.857 V的VOC和15.24%的PCE,是迄今为止基于BDF聚合物的器件效率較高值。

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图2.相关器件的光伏性能

  此外,当Y6作为少量的第三组分加入到基于LC301的二元体系中时,三元器件中的短路电流密度(JSC)和填充因子(FF)同时增加,从而产生16.14%的较高PCE。同时,三元共混物中有序的纤维网状形态有助于获得优异的环境稳定性和光稳定性。此外,PBDF-NS与聚合物受体PY-IT共混后,基于PBDF-NS:PY-IT的全聚合物有机太阳能电池获得了高达16.17%的PCE。这些结果表明,BDF聚合物给体非常适用于制备高性能和稳定的OSCs。

BDF 混合膜的形貌表征

图3. 混合膜的形貌表征

通讯作者简介

  孙艳明,北京航空航天大学化学学院教授、博士生导师。2002年本科毕业于山东大学化学学院。2007年获中国科学院化学研究所物理化学专业博士学位。之后分别在英国曼彻斯特大学和美国加州大学圣芭芭拉分校从事博士后研究。2013年入选中组部“青年千人计划”,同年9月份回到北航工作。2018年度获批国家杰出青年科学基金。主要从事有机光电功能材料与器件的研究工作,提出了“聚合物纤维网络结构调控太阳能电池活性层相分离”的新策略。在Nature Mater., Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv.Mater.,等杂志上发表SCI 论文120余篇。论文被Nature,Science等杂志引用10000余次,单篇最高引用超过1000次;2017年作为客座编辑在传统高分子杂志Macromol. Rapid Comm.上组织“未来青年科学家”专刊。此外还受邀担任Macromol. Chem. Phy.杂志的国际顾问编委。

本文关键词:有机太阳能电池、organic solar cell、Benzo[1,2-b:4,5-b′]difuran (BDF)、太阳光模拟器、Solar Simulator、Sun Simulator、量子效率、Quantum Efficiency

原文:https://doi.org/10.1002/aenm.202103684

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