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2022 Adv. Mater.:超越 17% 高效全聚合物太阳能电池! 受体链内电子共轭与构象稳定性的关键

High-Performance All-Polymer Solar Cells with Over 17% Efficiency

第一作者:于涵/颜河老师课题组

 

本文亮点

  近期,香港科技大学颜河课题组 研发了一种基于乙烯链接基元的聚合物受体(PY-V-γ),用来增强聚合物链内的共平面性与主链刚性程度,从而增强链内共轭、减少构象混乱度,进而增强链间堆积,提升全聚合物太阳能电池光伏转化效率至17%以上。

研究动机

  本工作表明通过引入中心对称的刚性片段来增强聚合物受体链内的电子共轭与构象稳定性是实现高效、稳定的全聚合物太阳能电池的关键,为进一步优化全聚合物太阳能电池性能提供了方向。

本文所用仪器

  • EQE measurements. EQEs were measured using an Enlitech QE-S EQE system equipped with a standard Si diode.

研究成果说明

  密度泛函计算发现,相较于传统使用的噻吩 (PY-T-γ)、联噻吩链接基元 (PY-2T-γ),乙烯单元与端基片段的二面角接近于0度,远小于其余两者接近20度的二面角,大大增强了链内的电子云共轭。而由于联噻吩拥有额外的一根可以自由转动的σ单键,PY-2T-γ的共平面成度与构象稳定性都被大大削弱了。分子动力学模拟表明,PY-V-γ同时拥有最小的链末端距与二面角分布再次印证构象稳定性的趋势:PY-V-γ > PY-T-γ > PY-2T-γ,而稳定的聚合物骨架将有利于链间堆积与电荷传输。 

密度泛函及分子动力学模拟结果

图1. 密度泛函及分子动力学模拟结果。

  因此,基于PM6: PY-V-γ的光伏器件实现了17.1%的能量转化效率,这也是目前报道的最高二元全聚合物太阳能电池效率。相较于另外两个全聚合物体系,显著提升的填充因子(FF)得益于更加好的链内共轭与刚性的分子构象。 

光伏器件效率表征结果;激子解离、电荷收集、电荷复合结果

图2. 光伏器件效率表征结果;激子解离、电荷收集、电荷复合结果。

  紫外可见光谱中增强的0-1、0-2峰体现了PY-V-γ链内更好的电子云共轭,而GISAXS实验表明PM6:PY-V-γ形成了更大的结晶相与较少的的混合相,得益于PY-V-γ中增强的分子间堆积性质。

材料光谱吸收及电化学性质

图3. 材料光谱吸收及电化学性质。

相分离表征结果(GISAXS)

图4. 相分离表征结果(GISAXS)。

  此外,基于上述PM6:PY-V-γ优秀的光伏性质,我们又将其用于柔性器件的加工制备。在基于polyethylene naphthalate (PEN)/ITO/PEDOT:PSS/PM6:PY-V-γ/PNDIT-F3N/Al的器件结构中,仍然可以实现接近14%的光伏转换效率。值得注意的是,其柔性器件的机械稳定性在经过1000次循环弯折实验后,仍保持着90%的初始效率,这体现了全聚合物太阳能电池优越的机械性能,有望用于可穿戴电子设备。

器件稳定性及柔性器件结果

图5. 器件稳定性及柔性器件结果。

  最后,作者又对于这一系列聚合物受体的理想几何构型进行了讨论。由于Y系列小分子的弯形骨架,使得重复单元之间应当按照“S”形状进行排列,总体呈现出中心对称的性质(C2h)。而由于噻吩链接基元的轴对称性质(C2v),这将打破原本中心对称的链走向,造成一个30度的倾斜角与弯曲的聚合物链。此外,噻吩单元还会给两侧单体带来不同的化学环境,从而引入更多的结构混乱度。而对于中心对称的乙烯单元,则不存在上述问题,继而保持平行的链走向、共平面且刚性的链构象。虽然联噻吩也是中心对称的链接单元,但是中间自由度极高的单键是降低共轭与构象稳定性的主要原因。 

理想dimer重复单元几何构型分析

图6. 理想dimer重复单元几何构型分析。

通讯作者简介

  颜河,香港科技大学终身教授,能源研究院副院长,在有机电子材料领域有多年研究经验,曾创办著名的Polyera公司。2009年,颜河教授课题组在《自然》杂志上发表了一个高迁移率的n型有机半导体高分子材料。此材料被誉为开启了“新晶体管时代”并登上了《自然》的封面。回到香港科大后,颜河教授从事有机太阳能领域的研究,在过去几年中多次打破有机太阳能电池的世界纪录。
  颜河教授的研究成果在2015年被美国国家可再生能源实验室收录进著名的“best research-cell efficiency chart”世界纪录表。香港科技大学也成为40年来中国第一个有幸录入“best research-cell efficiency chart”的高校。颜河教授共发表论文超过170篇,最近几年一共11次在顶级期刊(Science、Nature及Nature系列期刊)发表论文。2014年的Nature Communications和2016年的Nature Energy两篇论文被引用超过2600和1600次,均是该期刊2014年来引用最高的论文。颜河教授已经建立起一个以香港为中心的高度学科交叉的国际性科研合作平台。

本文关键词:全聚合物太阳能电池、all-polymer solar cells、电子共轭、electron conjugation、构象稳定、molecular conformation、量子效率、Quantum Efficiency

原文:https://doi.org/10.1002/adma.202200361

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