咨询电话:021-58952328
化学所李永舫院士团队:三元共聚受体助力高效全聚太阳能电池2020-05-29

全聚合物太阳能电池(All-polymersolar cells, all-PSCs)是基于聚合物给体和聚合物受体的太阳能电池,以其良好的热稳定性、高机械强度和可拉伸性等独特优势,适合于可穿戴和柔性设备的潜在应用,然而全聚合物电池性能落后于高性能小分子受体器件。主要原因是由于全聚合物电池的全聚合物受体可选择性较少,目前使用较多的是基于PDI和NDI的聚合物受体,其存在吸收系数低、与聚合物给体混溶性差、结晶度强、聚合物受体电子迁移率较差等缺点,均对光电流和填充因子(FF)有负面影响。

图文解析
利用简单的共轭桥联单元将小分子受体(SMA)聚合而成的PSMAs,具有吸收范围广、对SMAs的吸光度强的优点,这是一种很有前景的制备聚合物受体的策略。李永舫团队用此策略,将噻吩修饰过的Y6小分子受体和不同摩尔量的3-乙基噻吩(ET)单元进行聚合,合成一系列聚合物受体PTPBT-ETx。。与只有y6单元和噻吩单元的PTPBT相比,在三元共聚物中加入ET单元的PTPBT-ETx(其中x为ET单元的摩尔比)表现出LUMO能级的上升、电子迁移率的增加以及与聚合物给体PBDB-T共混膜共混形貌的改善。而基于PBDBT:PTPBT-ET0.3的全聚合太阳能电池实现了超过12.5%的高功率转换效率(PCE),还具有超过300小时的长期光稳定性。其研究结果表明,小分子受体单元与第三功能单元的随机三元共聚是全聚合物中开发高效聚合物受体的一种简单而有效的策略。该文以题目《采用随机三元共聚策略合成了具有高分子受体的高性能全聚合物太阳能电池》发表在国际著名期刊德国应化上。本文通讯作者为中国科学化学研究所的李永舫院士、孟磊研究员
图1:PTPBT-ETx聚合物受体的a)分子结构和b)能级示意图。氯仿(c)溶液的和固体膜中(d)PTPBT-ETxs归一化紫外-可见吸收光谱。
图2:全聚合物太阳能电池的光伏性能:a)基于PBDB-T:PTPBT-ETx器件在AM1.5G,100mw /cm2的光照下的J-V曲线。b)相应全聚合物太阳能电池的EQE谱。c)不同ET摩尔比的共聚物受体对全聚合物太阳能电池的Voc和PCE值的比较。d)PTPBT-ET0.3基全聚合物太阳能电池在长期1倍光照下的PCE归一化曲线。
图3:溶解在氯仿溶剂中的a)PBDB-T:PTPBT, b) PBDB-T:PTPBT-ET0.3, c) PBDB-T:PTPBT-ET0.75共混膜的2DGIWAXS图.d)来自PBDB-T:PTPBT-ETx共混膜的晶面(010)衍射的d-间距和相干长度
总结
采用随机的三元共聚的策略利用Y6分子,噻吩单元以及控制摩尔比例的ET单元,合成了一系列的PTPBT-ETx聚合物受体与不含ET单元的全聚合物受体PTPBT相比,在共聚物骨架中掺入一定量的ET单元,不仅可以上调聚合物受体的LUMO水平,而且使得其与聚合物源PBDB-T的共混膜有较高的电荷迁移率和良好的形貌。基于PTPBT-ETxs受体的全聚合物太阳能电池,随着聚合物受体中ET含量的增加,Voc逐渐增大。基于PBDT-T:PTPBT-ET0.3的全聚合物电池中Voc、Jsc、FF协同效果最好,最好PCE为12.52%。此外,基于PTPBT-ET0.3的全聚合物电池在300小时内表现出显著的长期光稳定性,且未出现明显的初始“老化”退化。证明了随机三元共聚上述PSMA受体可能导致进一步发展高性能聚合物受体的全聚合物电池的PCE的进一步改善。
全文链接:
https://doi.org/10.1002/anie.202005357
来源:高分子科学前沿