华南理工段春晖团队EES:简单线性共轭聚合物给体用于制备高性能有机太阳能电池
2022/11/1 17:31:08 阅读:211 发布者:
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前言回顾
得益于聚合物给体和非富勒烯受体的创新、器件工程的发展以及活性层形貌的深入研究,有机太阳电池(OSCs)在过去几年取得了重大突破。尽管OSCs的光电转换效率(PCE)已经取得很大提高,但器件稳定性、放大制造、绿色溶剂加工和低成本生产等方面的限制仍是OSCs实际应用亟待解决的问题。其中,开发低成本、高性能的光伏材料是OSCs商业化应用的先决条件之一。
面向实际应用的聚合物给体材料应具备优异的性能和简单的合成路线。目前,效率超过18%的高性能聚合物给体大多是基于噻吩苯并二噻吩(BDTT)的聚合物,如PM6、PM7、D18等。这些高性能聚合物的一个缺点是合成路线繁琐、纯化工艺复杂,不可避免地导致材料的生产成本高。此外,理想的聚合物给体应具备稳定的批次间可重现性,这是从实验室到工厂扩大合成的基础。而且,为方便与现有的或潜在的高性能受体相匹配,聚合物给体的普适性在实际应用中具有一定优势。然而,同时具备这些优点的聚合物给体目前非常稀少。
图1. 不同聚合物给体的分子结构与PTTzF的合成
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文献简介
华南理工大学段春晖教授研究团队致力于通过基本原理设计和精细合成开发符合上述特征的新型聚合物。在该团队之前的工作中,开发了一种基于噻唑并噻唑(TzTz)和噻吩单元的简单线性共轭聚合物PTTz-3HD,其与最先进的基于BDTT的共轭聚合物具有相当的短路电流密度(JSC)和填充因子(FF)。然而,PTTz-3HD的HOMO能级较浅(-5.36 eV),这导致OSCs中的开路电压(VOC)较低。近日,该团队通过将PTTz-3HD中的噻吩单元替换为3,4-二氟噻吩,又报道了一种新型线性共轭聚合物PTTzF,解决了聚合物HOMO能级浅的问题。由于主链氟化的吸电子效应,PTTzF显示出较深的HOMO能级(-5.64 eV),这对于提高OSCs的VOC和减少能量损失非常重要。
图2.不同器件的光伏性能比较
因此,PTTzF实现了18.01%的PCE,这使得PTTzF成为在OSCs中获得超过18%效率的少数聚合物之一。此外,氟原子与氢原子相比具有更大的空间位阻和更强的电负性,二氟噻吩双(三甲基锡)的反应活性降低,使得不同反应条件下的四批聚合物都显示出相似的分子量,并在OSCs器件中显示出高度可重复的性能。这一特性证明,通过控制单体的反应性可以很好地调节聚合物的分子量,这有利于聚合物的放大合成。此外,PTTzF对包括富勒烯衍生物、A-D-A和A-DA'D-A型在内的多种受体都具有良好的匹配能力,说明了该分子的普遍适用性。并且,从廉价的原材料出发,通过十步反应便可合成PTTzF,有利于降低聚合物的成本。
图3.PTTzF的性能重现性和普遍适用性
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文献总结
综上,该工作开发了一种易于合成、效率高、具有良好的批次间重现性和通用性的新型聚合物给体PTTzF,有助于OSCs从实验室到工业化生产迈出关键一步。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Energy & Environmental Science》上,题为“A Structurally Simple Linear Conjugated Polymer toward Practical Application of Organic Solar Cells”。
本文关键词:有机太阳能电池,聚合物给体,器件性能,批次重现性。
转自:“有机光电前沿”微信公众号
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