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简单制备对活性层膜厚和器件面积变化不敏感的高效非富勒烯聚合物太阳能电池

随着世界经济的高速发展,能源和环境危机已日益加剧,人们对清洁能源的需求也越来越迫切。太阳能作为取之不尽、用之不竭的绿色能源,如何对其进行高效利用一直是人们的研究热点。聚合物太阳能电池具有质轻、可大面积制备柔性半透明器件等优点,受到研究者的广泛关注。近两年来,随着窄带隙非富勒烯受体材料的飞速发展,聚合物太阳能电池的光电转换效率已经高达14%。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,活性层形貌需要后处理优化,并且在一定程度上对活性层的膜厚和器件的面积较为敏感,严重制约了聚合物太阳能电池的进一步发展和实际应用。


最近,苏州大学先进光电材料重点实验室张茂杰教授(点击查看介绍)使用一种以氟取代噻吩基苯并二噻吩为给体单元、苯并二噻吩二酮为受体单元的二维共轭聚合物给体材料PM6用作给体,非富勒烯IDIC用作受体,在不需要任何特殊处理的情况下,简单方便地制备了对活性层厚度和器件面积不敏感的高效非富勒烯太阳能电池(能量转化效率11.9%)。


张茂杰教授在前期对富勒烯聚合物太阳能电池的研究中发现,将氟原子引入噻吩基取代的苯并二噻吩(BDT-T),能够同时降低聚合物的HOMO能级、提高聚合物的消光系数、增强分子间的相互作用、提高材料的结晶性和空穴迁移率,从而使中间带隙共轭聚合物光伏器件的能量转化效率从4.5%提高到8.6%(Adv. Mater., 2014, 26, 1118)。随后他们又将氟原子修饰噻吩基取代的苯并二噻吩引入宽带隙的共轭聚合物体系,得到新的聚合物PM6,使用PM6为给体、富勒烯PCBM为受体制备聚合物太阳能电池的效率为9.2%(Voc= 0.98 V)(Adv. Mater., 2015, 27, 4655)。他们在聚噻吩衍生物电子供体上引入氟原子,合成新的聚合物给体材料PBDD-ff4T,该材料的富勒烯受体聚合物太阳能电池在不经过任何后处理的情况下得到9.2%的能量转化效率。同时,氟原子的引入能够显著改善器件对活性层厚度变化的敏感性 (Adv. Energy Mater., 2016, 6, 1600430),当活性层厚度达到250 nm时,光伏器件的能量转化效率仍可维持在最佳效率的80%。


近日,利用给、受体吸收光谱的互补作用,该团队以PM6为给体、窄带隙的ITIC为受体,共混制备了非富勒烯聚合物太阳能电池,在开路电压高达1.04 V的情况下依然获得了9.7%的效率。相关工作发表在Journal of Materials Chemistry A 1,论文入选2017年JMCA杂志的热点论文。为了获得更高的器件效率,该研究团队以PM6为给体、以结晶性更强的窄带隙IDIC为受体,共混制备了非富勒烯聚合物太阳能电池,在没有任何后处理的情况下获得了高达11.9%的效率(Voc = 0.97 V, Jsc = 17.8 mA•cm-2, FF = 69%),作者强调这是当时无任何后处理的器件中的最高效率值,相关工作发表在Advanced Materials2。为了研究该聚合物太阳能电池的实际应用潜力,他们制备了不同活性层厚度和不同器件面积的聚合物太阳能电池,发现活性层膜厚范围为95-255 nm、器件面积为0.20-0.81 cm2 时均可以获得超过11%的能量转换效率。当器件面积高达1.25 cm2 时,初步优化的柔性聚合物太阳能电池依然可以得到6.54%的能量转换效率。基于PM6 : IDIC的共混膜拥有良好的相分离和互穿网络结构,同时,强结晶性的PM6在共混膜中拥有16 ± 6 nm的较长激子扩散距离。上述结果表明,该活性层体系适用于高效柔性大面积器件的简单、无后处理制备,一定程度上推动了聚合物太阳能电池的产业化进程。

图1.(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。


图2.(a)不同活性层膜厚时的电流-电压曲线;(b)外量子效率曲线;(c)器件效率与活性层膜厚的关系;(d)不同器件面积时的电流-电压曲线。


图3. 柔性器件的电流-电压曲线。


表1. 不同活性层厚度和不同器件面积太阳能电池的光伏参数。


图4. PM6 : IDIC的共混膜在不同处理条件下的GIWAXS和ReSOXS图。


图5.(a)PM6的激子扩散示意图;(b)PM6纯膜和PM6 : ITIC共混膜的时间分辨PL图。


相关成果发表在Journal of Materials Chemistry A以及Advanced Materials 上,论文的第一作者是苏州大学的博士研究生凡群平和硕士研究生王燕


1. 该论文作者为:Yan Wang, Qunping Fan, Xia Guo, Wanbin Li, Bing Guo, Wenyan Su, Xuemei Ou, Maojie Zhang

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

High-performance nonfullerene polymer solar cells based on a fluorinated wide bandgap copolymer with a high open-circuit voltage of 1.04 V

J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 22180, DOI: 10.1039/C7TA07785H


2. 该论文作者为:Qunping Fan, Yan Wang, Maojie Zhang, Bo Wu, Xia Guo, Yufeng Jiang, Wanbin Li, Bing Guo, Chennan Ye, Wenyan Su, Jin Fang, Xuemei Ou, Feng Liu, Zhixiang Wei, Tze Chien Sum, Thomas P. Russell, Yongfang Li

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

High-Performance As-Cast Nonfullerene Polymer Solar Cells with Thicker Active Layer and Large Area Exceeding 11% Power Conversion Efficiency

Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201704546


张茂杰教授简介


张茂杰,苏州大学材料与化学化工学部教授;2011年毕业于中国科学院化学研究所,获得博士学位,导师李永舫院士;2011年至2014年在中国科学院化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室工作;2013年获北京市科学技术奖二等奖,2014年获国家基金委优秀青年科学基金资助,2014年9月受聘苏州大学、教授、博士生导师,2016年获苏州市高等院校、科研院所紧缺高层次人才,2017年获江苏省“双创人才”。


张茂杰2008年开始从事有机光伏材料与器件相关的科学研究,迄今为止共发表SCI研究论文100余篇,授权中国专利2项,刊物包括Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Chem. Mater.、Macromolecules 等;发表论文SCI他人引用4000余次,H因子37,其中,15篇论文单篇他人引用超过100次,12篇论文入选ESI高被引论文,2篇论文入选“中国百篇最具影响国际学术论文”


http://www.x-mol.com/university/faculty/43043


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