聚噻吩-非富勒烯光伏電池相態研究的新進展

聚噻吩及其衍生物是一類典型的低成本且可宏量合成的有機半導體材料,是適用於未來有機光伏商業化的候選材料之一。在已報道的聚噻吩類給體材料中,以酯基噻吩為構築單元的聚噻吩衍生物是目前光伏性能最高的給體材料,器件效率可以達到~12%,但仍與目前高效體系之間存在較大差距。活性層形貌是影響光伏性能的關鍵因素。深入理解這類低成本有機光伏共混體系的相分離結構及其影響因素,建立系統全面的分子結構-薄膜相態-光伏性能之間的關系對共混體系進一步的優化和發展以及OPV產業化進程的推進具有重要意義。

天津大學《Joule》:聚噻吩-非富勒烯光伏電池相態研究的新進展

最近,天津大學材料科學與工程學院的耿延候教授和葉龍教授研究團隊以酯基取代聚噻吩給體材料PDCBT-Cl(Macromolecules, 2019, 52, 4464-4474)為研究對象,選用瞭5種具有不同末端基團或中間單元的代表性非富勒烯受體材料(ITIC-Th1、ITIC、IT4F、IDIC和Y6),從共混熱力學及成膜動力學角度對不同體系相態的差異進行瞭深入研究,通過系統分析這類結晶性共混體系中非晶-非晶相互作用參數χaa、結晶-非晶相互作用參數χca以及活性層形貌淬滅程度,建立瞭共混體系分子結構-薄膜相態-器件性能之間的關系。

研究發現,不同於基於苯並二噻吩單元的給體聚合物與Y6與共混體系在光伏效率上取得的巨大成功,PDCBT-Cl與Y6匹配僅獲得~0.5%的能量轉換效率,其本質原因在於PDCBT-Cl與Y6高度相容,共混體系處於單相態,難以發生相分離。

而PDCBT-Cl:ITIC-Th1共混體系中給受體材料具有合適的相容性,通過對共混薄膜進行精確的後處理可以使混合相組成鎖定在利於電子傳輸的滲透閾值附近,且活性層薄膜中可以形成更有序的分子堆積,有利於載流子傳輸,從而獲得瞭超過12%的器件效率。基於對5種共混體系的系統研究,他們為進一步提高聚噻吩-非富勒烯共混體系的光伏性能從分子設計結構及和器件結構兩方面提出瞭優化策略。

該工作對低成本聚噻吩體系的分子設計及聚集態結構調控具有重要的指導意義。給受體材料的相容性及分子有序性對聚噻吩:非富勒烯體系薄膜形貌及器件性能有重要影響。非富勒烯受體材料需要與聚噻吩給體材料在熱力學上匹配,高度相容的體系難以獲得高的器件性能。該研究表明采用物理參數如非晶-非晶相互作用參數χaa、結晶-非晶相互作用參數χca等可以為聚噻吩體系分子結構設計、薄膜形貌調控及給受體材料匹配提供指導,進一步推動有機太陽能電池商業化進程。

天津大學《Joule》:聚噻吩-非富勒烯光伏電池相態研究的新進展
圖1. PDCBT-Cl與典型非富勒烯受體材料的共混體系χ-ϕ相圖基構效關系

相關結果以“Optimization Requirements of Efficient Polythiophene: Nonfullerene Organic Solar Cells”為題發表在能源材料權威期刊《Joule》上,論文的第一作者為天津大學材料科學與工程學院的博士生梁紫琦,通訊作者為葉龍教授和李淼淼博士。論文的共同作者包括天津大學耿延候教授、鄧雲峰副教授和北卡州立大學的Harald Ade教授。該項研究得到國傢自然科學基金項目和發光材料與器件國傢重點實驗室開放基金的支持以及上海同步輻射光源的機時支持。

全文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.04.014

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