【引言】

聚合物太陽能電池( PSCs )作為一種新興的清潔能源技術(shù)，由于其具有半透明性、柔性以及可大面積制備等優(yōu)點(diǎn)，近年來受到了廣泛關(guān)注。近三年來，n型有機(jī)半導(dǎo)體(n-OSs)作為非富勒烯(NF)受體在高性能PSCs中得到了蓬勃發(fā)展，這是因?yàn)榕c傳統(tǒng)富勒烯衍生物相比，n型有機(jī)半導(dǎo)體具有前體來源廣泛、制備成本低、吸收和能級可調(diào)、能量損失小、形貌穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。迄今為止，單結(jié)NF-PSCs的功率轉(zhuǎn)換效率(PCEs)已達(dá)到11–13%。在與寬帶隙聚合物共混時(shí)，IT-4F基PSCs顯示出高達(dá)13.1 %的PCE。由于良好匹配的聚合物給體和n - OS受體在獲得高效PSCs中起著至關(guān)重要的作用，因此廣泛的合成變化(如原子取代、側(cè)鏈修飾和引入芳族稠環(huán))被用于優(yōu)化高性能聚合物給體。其中原子取代，特別是氟(F)原子取代氫原子引起了人們的廣泛關(guān)注，并在分子設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用

【成果簡介】

近日，來自蘇州大學(xué)的張茂杰教授(通訊作者)團(tuán)隊(duì)在Nano Energy發(fā)文，題為：“Chlorine substituted 2D-conjugated polymer for high-performance polymer solar cells with 13.1% efficiency via toluene processing”。研究人員設(shè)計(jì)并合成了一種新的D-A型兩維共軛聚合物PM7，它含有氯化噻吩基苯并二噻吩( BDT - 2Cl )給體單元和苯并二噻吩-4，8-二酮受體單元。與無氯取代的對照聚合物PBDB-T相比，PM7具有較低的HOMO能級、較高的吸收系數(shù)、較強(qiáng)的結(jié)晶性和較高的載流子遷移率。此外，以PM7為給體、IT-4F為受體的光伏器件在使用非鹵溶劑甲苯做溶劑時(shí)，在獲得0.88 V的高開路電壓、20.9 mA·cm-2的短路電流密度的同時(shí)，填充因子( FF )為71.1 %的，從而取得了13.1 %的能量轉(zhuǎn)化效率( PCE )。而相同條件下， PBDB - T ： IT - 4F體系的PSC在低Voc為0.67 V的條件下僅表現(xiàn)出5.8 %的低PCE。13.1%的PCE是迄今為止報(bào)告的非鹵溶劑制備的光伏器件能量轉(zhuǎn)化效率最高值之一。這些結(jié)果表明，氯取代是設(shè)計(jì)高性能共軛聚合物光伏材料的一種簡單有效的策略。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1. 合成示意圖

(a) PM7合成路線;

(b) 在B3LYP/6–31G*(d， p)級DFT計(jì)算得到的HOMO和LUMO電子分布以及能級;

(c) 單體在濃度為1×10 – 5M甲苯溶液中的吸收光譜;

圖2. 分子能級結(jié)構(gòu)

(a) 分子結(jié)構(gòu)

(b) 聚合物給體和非富勒烯受體IT-4F的吸收光譜;

(c) 聚合物給體和非富勒烯受體IT-4F的分子能級圖;

圖3. 光伏性能測試

(a) 在5G光源(100 mW cm-2)照射下的J-V曲線;

(b) PM7：IT-4F共混制備的PSCs的EQE曲線;

(c) PM7：IT-4F共混制備的PSCs活性層厚度與PCE的關(guān)系趨勢圖;

(d) Jph vs Veff;

(e) PM7：IT-4F共混制備的PSCs中Voc隨光強(qiáng)的變化;

(f) PM7：IT-4F共混制備的PSCs中Jph隨光強(qiáng)的變化;

圖4. 二維GIWAXS表征

(a)純聚合物及相關(guān)共混膜的二維GIWAXS剖面及相應(yīng)的( b ) IP和( c ) OOP線切;

(d)共混膜的RSoXS散射分布。

【總結(jié)】

研究人員設(shè)計(jì)合成了基于一種新的含氯的BDT-2Cl給體單元的聚合物PM7，并將其作為給體應(yīng)用于非富勒烯有機(jī)太陽能電池。與傳統(tǒng)的分子主鏈上帶有氯取代基的氯化聚合物不同，PM7在聚合物共軛側(cè)鏈上氯化，有利于減弱Cl原子在聚合物主鏈上的空間位阻效應(yīng)。與PBDB-T相比，PM7具有較低的HOMO能級、較高的吸收系數(shù)、較強(qiáng)的結(jié)晶性和較高的載流子遷移率。此外，基于PM7： IT-4F的甲苯作溶劑的光伏器件得到了Voc為0.88 V、Jsc為20.9 mA·cm - 2和FF為71.1 %的情況下，PCE高達(dá)13.1 %，而基于PBDB - T ： IT - 4F的PSC僅獲得5.3 %的PCE。13.1 %的PCE是迄今為止報(bào)道的非鹵溶劑制備的光伏器件的最高值之一。結(jié)果表明，氯代是設(shè)計(jì)高性能聚合物光伏材料的一種簡單、廉價(jià)、有效的策略。