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13.1%能量转化效率的非卤溶剂加工型聚合物太阳能电池

聚合物太阳能电池(PSCs)具有质轻、可大面积制备柔性半透明器件等优点而受到研究者们的广泛关注。近两年,随着窄带隙非富勒烯受体材料的迅猛发展,PSCs的光电转换效率(PCEs)已经超过13%。然而,基于此类体系的高效宽带隙聚合物给体材料的种类非常有限、器件制备过程中需要用到毒性较大的卤代试剂、并且在一定程度上对活性层的膜厚较为敏感,这严重制约了PSCs的进一步发展和实际应用。

之前,苏州大学先进光电材料重点实验室的张茂杰教授设计合成了一种高性能的氟取代二维共轭聚合物PM6。前期的工作中,张等人以PM6为给体、富勒烯为受体制备的PSCs的效率为9.2%(Adv. Mater., 2015, 27, 4655)。近期,利用给、受体吸收光谱互补作用,该团队以PM6为给体、分别以窄带隙的非富勒烯受体IDIC、ITIC和IT-4F为受体制备了光伏器件,都取得了不错的效果,相关论文分别发表在(Adv. Mater., 2018, 30, 1704546; J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 22180;Sci. China Chem., 2018, DOI: 10.1007/s11426-017-9199-1)。然而,氟化试剂原料昂贵、氟取代反应复杂且产率低、以及氟取代分子容易强自聚集等缺点都严重限制了氟取代光伏材料的大规模生产使用。

最近,该团队用氯原子代替PM6的氟原子,合成了全新的宽带隙聚合物给体材料PM7。相比于PM6,PM7的原料更廉价、反应简单高产且易于提纯,同时也显示了低的HOMO能级、高的消光系数以及强的结晶性能。以非卤代的甲苯溶剂制备器件,PSCs获得了高达13.1%的效率,作者申明这在当时是非卤溶剂加工型PSCs的最高效率值之一,相关工作近期发表在Nano Energy上(影响因子12.343)。 

测试结果显示PM7膜拥有高达105  cm-1左右的消光系数和低至-5.50 eV的HOMO能级,这有利于PM7:IT-4F器件收获高的Jsc和Voc。基于PM7:IT-4F的器件获得了高达13.1%的效率,Voc为0.88 V,Jsc为20.9 mA cm-2,FF 为71.1%,这明显高于无卤素取代类似聚合物PBDB-T为给体材料的器件(PCE为5.8%)。为了研究该PM7:IT-4F器件的实际应用潜力,他们制备了不同活性层厚度的光伏电池,发现在活性层膜厚范围为80-200 nm之间时均可以获得超多11%的能量转化效率。

GIWAXS结果显示,相比于“edge-on”排列方式的PBDB-T膜,PM7膜显示了“face-on”的排列方式和更强的结晶度,表明氯化作用除了促进结晶度之外还能有效翻转聚合物的排列方式。同时,PM7:IT-4F共混膜比纯膜拥有更强的结晶度,表明PM7在共混膜中能够保持独立的结晶性。Re-SOXS研究表明,氯化作用能够有效促进相应共混膜的相区纯度。“face-on”的排列方式、更强的结晶度以及更高的相区纯度都能够促进PM7:IT-4F器件的电荷传输和分离。上述结果表明,氯化作用能够作为一种简单且实用的策略去设计、合成高性能聚合物光伏材料。

13.1%能量转化效率的非卤溶剂加工型聚合物太阳能电池                            

图1. 聚合物PM7的合成路线。

13.1%能量转化效率的非卤溶剂加工型聚合物太阳能电池图2. (a)聚合物给体和小分子受体的结构式,(b)吸收曲线,(c)能级示意图。

13.1%能量转化效率的非卤溶剂加工型聚合物太阳能电池

图3.(a)基于polymer:IT-4F器件的电流-电压曲线,(b)外量子效率曲线;(c)基于PM7:IT-4F器件的效率与活性层膜厚的关系。 

表1. 基于polymer:IT-4F器件的光伏13.1%能量转化效率的非卤溶剂加工型聚合物太阳能电池参数表。

13.1%能量转化效率的非卤溶剂加工型聚合物太阳能电池

图4. 聚合物纯膜以及相关polymer:IT-4F共混膜的GIWAXS和ReSOXS图。

 致谢部分:感谢西安交通大学马伟教授与硕士研究生朱清廉在GIWAXS和ReSOXS测试方面给与的帮助。感谢国家自然科学基金(NSFC):Nos. 51503135, 51573120, 21504066, 21534003, 91633301以及江苏省青年科学基金BK20150332的资助。

 参考文献Qunping Fan, Qinglian Zhu, Zhuo Xu, Wenyan Su, Juan Chen, Jingnan Wu, Xia Guo, Wei Ma, Maojie Zhang,* Yongfang Li, Nano Energy, Chlorine substituted 2D-conjugated polymer for high-performance polymer solar cells with 13.1% efficiency via toluene processing, 2018, doi: 10.1016/j.nanoen.2018.04.002.

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