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    華南理工大學段春暉教授課題組JMCA:給體聚合物中引入3, 4-二氰基噻吩降低有機太陽電池的能量損失
    2021-06-10  來源:高分子科技

      近年來,有機太陽電池(OSCs)發展迅速,其能量轉換效率(PCE)已超過18%,但仍落后于硅基和鈣鈦礦太陽電池。這主要是因為有機太陽電池中存在較大的能量損失,特別是非輻射復合能量損失。因此,探索降低非輻射復合能量損失的新方法具有重要的研究意義。


      近日,華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室段春暉教授課題組聯合武漢工程大學劉治田教授高翔副教授、天津大學葉龍教授、華南理工大學吳宏濱教授Journal of Materials Chemistry A上發表最新研究成果 “Ternary copolymers containing 3,4-dicyanothiophene for efficient organic solar cells with reduced energy loss”。 華南理工大學的博士生張月為該論文的第一作者。在該課題組前期工作基礎上(Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1904247),該工作將結構簡單、具有強吸電子能力的3,4-二氰基噻吩(DCT)單元引入到聚合物給體PBDB-TF的骨架中,通過三元共聚的方法合成了具有不同DCT含量的給體聚合物PFBCNTx(圖1)。DCT的引入能夠降低給體聚合物的HOMO能級(圖2c),提高器件的開路電壓(Voc)。該方法與常用的引入F原子降低聚合物給體HOMO能級的方法相比,具有合成簡單、不需要使用危險試劑的優勢。將這些聚合物給體分別與光譜互補的Y6-BO受體進行搭配(圖2a, b),通過器件加工方法的優化,基于PFBCNT20:Y6-BO:PC71BM的三元OSCs具有高的PCE(16.6%)和低的非輻射復合能量損失(0.22 eV)。該研究結果表明,利用DCT單元作為第三組分,是合成高性能給體聚合物的一種簡單有效策略。


    圖1 聚合物給體PFBCNTx的合成路線及化學結構


    圖2 (a)受體Y6-BO的化學結構;(b)PBDB-TF、PFBCNTx、Y6-BO薄膜的歸一化吸收光譜;(c)給受體材料的能級結構示意圖


      通過對聚合物給體薄膜以及給/受體共混薄膜進行GIWAXs分析,作者研究了DCT單元對分子堆積模式及取向的影響。PBDB-TF和PFBCNTx薄膜都呈現出face-on取向,這有利于電荷在垂直方向的傳輸。在共混薄膜中,聚合物的face-on取向仍然存在(圖3a),且面外方向(010)衍射峰的強度隨DCT含量的增加在逐漸增強,到PFBCNT20的時候最強,這表明DCT可以誘導理想的分子取向。通過量化分析(圖3c)發現,共混薄膜PFBCNT20:Y6-BO的face-on/edge-on比值最大,表明其face-on取向程度最高。這有利于電荷傳輸和器件性能的提升,因此,基于PFBCNT20:Y6-BO的OSCs具有最高的短路電流(Jsc)和填充因子(FF)。


    圖3 (a)共混薄膜的2D GIWAXs圖;(b)共混薄膜在面內(100)及面外(010)方向上的一維曲線圖;(c)共混薄膜(100)峰的極圖


    表1 以PBDB-TF和PFBCNTx作為給體的OSCs在AM1.5G光照下獲得的器件參數 


    a The data in brackets are the average values and standard deviation of at least 10 independent devices for each polymer:Y6-BO blend.

    b The ternary OSCs based on PFBCNT20:Y6-BO:PC71BM blend film.

    Jsc, EQE represents the integrated current density obtained from EQE spectra.


      作者采用傅立葉變換光電流譜(FTPS)和電致發光外量子效率(EQEEL)測試對基于PBDB-TF:Y6-BO和PFBCNTx:Y6-BO共混薄膜的OSCs的能量損失進行了詳細分析(圖4)。通過EQE光譜計算出所有器件的光學帶隙為1.41 eV,所有器件的輻射復合損失ΔΕ1為0.27 eV、ΔΕ2為0.08 eV。通過測量純聚合物薄膜和共混薄膜的EQEEL(圖4b),發現EQEEL與DCT含量呈正相關性。因此,基于PFBCNT30:Y6-BO的OSCs具有最小的非輻射復合能量損失0.22 eV。這表明,在給體聚合物骨架中引入DCT單元,可以降低器件的非輻射復合能量損失。


    圖4 (a)共混薄膜的FTPS-EQE圖;(b) 共混薄膜的EQEEL圖;(c)共混薄膜中詳細的能量損失柱狀圖


    表2 以PBDB-TF和PFBCNTx作為給體的OSCs的能量損失具體數值


      總的來說,該工作采用三元無規共聚策略,將結構簡單且具有強吸電子能力的DCT單元引入到聚合物PBDB-TF骨架上,合成了HOMO能級逐漸降低的三個聚合物PFBCNTx(x=10,20,30),提高了電致發光效率,從而降低了器件的非輻射復合能量損失。除此之外,DCT單元能夠改變聚合物中分子的取向,促進face-on取向,這有利于電荷的傳輸,從而提高器件的性能。該研究表明將DCT單元引入到聚合物骨架中,是一種減小非輻射復合能量損失、提高器件性能的簡單可行策略。


      原文鏈接:Ternary copolymers containing 3,4-dicyanothiophene for efficient organic solar cells with reduced energy loss (J. Mater. Chem. A, 2021, DOI:10.1039/d1ta03161a)

      https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta03161a#!divAbstract


      下載:Ternary copolymers containing 3,4-dicyanothiophene for efficient organic solar cells with reduced energy loss

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    (責任編輯:xu)
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