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2022 Adv. Mater.:達到效率16.67% 有機太陽能電池!小分子聚合化策略

标题 具有支化侧链的聚合小分子受体

第一作者:李云/孙艳明老师课题组

本文亮点

  1. 本文采用小分子聚合化的方法设计合成了一系列的聚合物受体材料,且基于PM6:PY-DT的有机太阳能电池能够实现16.76%光电转换效率(认证为16.3%)。这一效率在投稿时间时是二元全聚合物太阳能电池效率的較高值。
  2. 本文对较短链的聚合物材料PY-HD的单体进行了单晶解析,这对聚合物受体的结构-性能之间的关系的理解提供了新的思路,也为开发高效共轭聚合物受体开辟了一条可行的途径。

研究动机

  基于小分子受体的有机太阳能电池的光电转换效率已经超过20%。然而,聚合物受体的发展仍远远落后于小分子受体材料,这主要是由于缺乏高效率的聚合物受体材料。本文采用与小分子受体材料 L8-BO相同的中心给电子基团,因为我们通过与基于PM6:Y6的有机太阳能电池对比发现基于PM6:L8-BO的有机太阳能电池能够实现更高的开路电压和填充因子。因此我们将该中心给电子基团引入到聚合物受体中,通过改变吡咯上的烷基链,设计合成了一系列聚合物受体材料PY-X(其中X为不同的烷基链)。并研究他们的光电性能。

本文所用仪器

  • An Air Mass 1.5 Global (AM 1.5 G) solar simulator (SS-F5-3A, Enlitech)
  • A solar-cell spectral-response measurement system (QER3011, Enlitech)

研究成果说明

具有不同支链侧链的 PY-X 受体的合成路线

图1.不同烷基链的受体材料的合成路线

本文中所有的聚合物受体材料的合成路线如图1所示,我们通过吡咯上烷基链的改变,合成了4个聚合物受体材料。分别命名为PY-HD,PY-OD,PY-DT 和PY-DH。

Y6 L8-BO 和 SMA-HD 的分子结构

图2.Y6,L8-BO和SMA-HD的分子结构和单晶数据

通过吡咯上具有短烷基链的聚合物受体材料PY-HD的单体小分子SAM-HD的单晶培养和解析发现小分子SMA-HD与小分子L8-BO具有相似的分子堆积,切与Y6相比SMA-HD和L8-BO具有更大的堆积系数。

优化的二元全 PSC 的 J-V 特性 EQE光谱

图3.相关器件参数

我们制备了有机太阳能电池的器件研究聚合物受体材料的光伏性能。有趣的是,基于PM6:PY-HD的有机太阳能电池的光电转化效率为16.41%,Voc为0.937 V, Jsc为24.05 mA cm2, FF为72.8%,目前为止,这一效率是二元全聚合物有机太阳能电池的較高值。通过烷基链的增加基于PM6: PY-DT的全聚合物有机太阳能电池能够实现16.76%的光电转换效率,Voc为0.949 V,Jsc 为23.73 mA cm2, FF 74.4%。

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 cells、小分子聚合、Small Molecular、太阳光模拟器、Solar Simulator、Sun Simulator、量子效率、Quantum Efficiency

原文:https://doi.org/10.1002/adma.202110155

 

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