三元共聚受體助力高效全聚太陽能電池

全聚合物太陽能電池(All-polymersolar cells, all-PSCs)是基於聚合物給體和聚合物受體的太陽能電池,以其良好的熱穩定性、高機械強度和可拉伸性等獨特優勢,適合於可穿戴和柔性設備的潛在應用,然而全聚合物電池性能落後於高性能小分子受體器件。主要原因是由於全聚合物電池的全聚合物受體可選擇性較少,目前使用較多的是基於PDI和NDI的聚合物受體,其存在吸收系數低、與聚合物給體混溶性差、結晶度強、聚合物受體電子遷移率較差等缺點,均對光電流和填充因子(FF)有負面影響。

化學所李永舫院士團隊:三元共聚受體助力高效全聚太陽能電池

圖文解析

利用簡單的共軛橋聯單元將小分子受體(SMA)聚合而成的PSMAs,具有吸收范圍廣、對SMAs的吸光度強的優點,這是一種很有前景的制備聚合物受體的策略。李永舫團隊用此策略,將噻吩修飾過的Y6小分子受體和不同摩爾量的3-乙基噻吩(ET)單元進行聚合,合成一系列聚合物受體PTPBT-ETx。

與隻有y6單元和噻吩單元的PTPBT相比,在三元共聚物中加入ET單元的PTPBT-ETx(其中x為ET單元的摩爾比)表現出LUMO能級的上升、電子遷移率的增加以及與聚合物給體PBDB-T共混膜共混形貌的改善。而基於PBDBT:PTPBT-ET0.3的全聚合太陽能電池實現瞭超過12.5%的高功率轉換效率(PCE),還具有超過300小時的長期光穩定性。

其研究結果表明,小分子受體單元與第三功能單元的隨機三元共聚是全聚合物中開發高效聚合物受體的一種簡單而有效的策略。該文以題目《采用隨機三元共聚策略合成瞭具有高分子受體的高性能全聚合物太陽能電池》發表在國際著名期刊德國應化上。本文通訊作者為中國科學化學研究所的李永舫院士、孟磊研究員。

化學所李永舫院士團隊:三元共聚受體助力高效全聚太陽能電池
圖1:PTPBT-ETx聚合物受體的a)分子結構和b)能級示意圖。氯仿(c)溶液的和固體膜中(d)PTPBT-ETxs歸一化紫外-可見吸收光譜。
化學所李永舫院士團隊:三元共聚受體助力高效全聚太陽能電池
圖2:全聚合物太陽能電池的光伏性能:a)基於PBDB-T:PTPBT-ETx器件在AM1.5G,100mw /cm2的光照下的J-V曲線。b)相應全聚合物太陽能電池的EQE譜。c)不同ET摩爾比的共聚物受體對全聚合物太陽能電池的Voc和PCE值的比較。d)PTPBT-ET0.3基全聚合物太陽能電池在長期1倍光照下的PCE歸一化曲線。
化學所李永舫院士團隊:三元共聚受體助力高效全聚太陽能電池
圖3:溶解在氯仿溶劑中的a)PBDB-T:PTPBT, b) PBDB-T:PTPBT-ET0.3, c) PBDB-T:PTPBT-ET0.75共混膜的2DGIWAXS圖.d)來自PBDB-T:PTPBT-ETx共混膜的晶面(010)衍射的d-間距和相幹長度

總結

采用隨機的三元共聚的策略利用Y6分子,噻吩單元以及控制摩爾比例的ET單元,合成瞭一系列的PTPBT-ETx聚合物受體與不含ET單元的全聚合物受體PTPBT相比,在共聚物骨架中摻入一定量的ET單元,不僅可以上調聚合物受體的LUMO水平,而且使得其與聚合物源PBDB-T的共混膜有較高的電荷遷移率和良好的形貌。

基於PTPBT-ETxs受體的全聚合物太陽能電池,隨著聚合物受體中ET含量的增加,Voc逐漸增大。基於PBDT-T:PTPBT-ET0.3的全聚合物電池中Voc、Jsc、FF協同效果最好,最好PCE為12.52%。此外,基於PTPBT-ET0.3的全聚合物電池在300小時內表現出顯著的長期光穩定性,且未出現明顯的初始“老化”退化。證明瞭隨機三元共聚上述PSMA受體可能導致進一步發展高性能聚合物受體的全聚合物電池的PCE的進一步改善。

全文鏈接:

https://doi.org/10.1002/anie.202005357

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