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CCS Chemistry | 寸可控金属配合物作为光散射中心,获得高性能聚合物太阳能电池

 摘要:北京化工大学谭占鳌课题组基于配体共轭延展策略发展了一类聚集尺寸可控且传输性能优异的金属配合物纳米粒子,并将其应用于聚合物太阳能电池中作为光散射中心和电荷收集层,实现了电池光伏性能以及稳定性的大幅提升。

 

在聚合物太阳电池(PSCs)中,由于有机半导体迁移率低以及激子扩散距离较短的限制,传统的活性层厚度远小于其本征吸收波长,在不影响器件效率的情况下很难继续提高活性层的吸收强度。为了解决这一科学问题,北京化工大学谭占鳌课题组在之前的工作中报道了CeOxAdv. Mater. Interfaces, 2014, 1, 1400197)和TaOMeNano Energy, 2017, 31, 201)等界面层材料,其聚集在活性层表面形成散射中心,能够有效提高活性层的光捕获能力。但受限于此类金属配合物材料的固有结构,无法通过光散射中心的聚集尺寸调节来精细调控活性层中的光场分布。因此,有必要开发一类具有良好电荷输运能力且尺寸可控的光散射中心,以期实现PSCs活性层光捕获能力的进一步提高。


乙酰丙酮铪(Hf(Acac)4)具有制备简单、成本低以及结构可调性强等优点,被证明是一种性能良好的电子收集层材料(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 432)。研究发现由乙酰丙酮螯合环组成的六元环与芳香环或其它共轭结构结合后存在堆积相互作用,可以相互堆叠形成特定的纳米结构。由此,谭占鳌课题组通过在乙酰丙酮结构上延伸引入不同数量的苯环合成了一系列聚集尺寸可控的金属配合物,利用其作为光散射中心和电荷收集层的双重作用来增强光伏器件的性能(图1)。


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1. a)金属配合物的合成路线;b)配合物的平面透射电镜图像;c)配合物的静电势分布及双分子聚集构型示意图。

 

作者通过密度泛函理论(DFT)对三种金属配合物的双分子聚集结构进行模拟计算,结果表明Hf(ACB1)4Hf(ACB)4具有比Hf(Acac)4更强的聚集效应,因此倾向于形成尺寸更大的纳米粒子。不仅如此,双分子间倾向于形成弯曲的聚集结构,该结果揭示了配合物分子能够自组装形成半球形纳米粒子的原因,该结果与形貌表征结果相一致(图1b和图2)。


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2. 配合物的扫描电镜(SEM)图像和原子力显微镜(AFM)的三维表面形貌示意图。

 

由于不同尺寸纳米粒子光散射性能及优化光场分布能力有所不同,使得对活性层光捕获的调控能力存在差异。时域有限差分法(FDTD)和光学传递矩阵式模拟方法的计算结果表明,应用金属配合物作为界面层的器件,其活性层内部的光场分布更优且光场强度显著增强(图3)。

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3. 四种器件结构及相应的FDTD模拟光场强度示意图。


得益于配合物良好的光电特性及其对活性层光捕获能力的优化,PSCs的器件效率得到显著提高。作者通过反射光谱以及器件外量子效率等证明了不同尺寸的纳米粒子对背电极反射光的散射效果不同,三种不同尺度大小的纳米粒子可以有效调节聚合物太阳电池器件的内部光场分布(图4)。


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4. a)聚合物太阳电池结构示意图;(b-c)不同结构器件的J-VEQE曲线d)不同结构聚合物太阳电池器件的反射光谱;(e)由反射光谱得到的ΔαAbs光谱;(f)由EQE光谱得到的ΔαEQE曲线。

 

综上所述,由于纳米粒子的散射作用,入射光的光路长度增加,从而提高了光活性层的光捕获能力。最终,以Hf(ACB1)4为电子收集层,PM6:BTP-eC9作为活性层的PSCs实现了高达17.13%的效率和出色的稳定性。本研究得到了国家自然科学基金委的基金支持。该工作以Research Article的形式发表在CCS Chemistry,并在官网“Just Published”栏目上线。

 

文章详情:

Size-Controllable Metal Chelates as Both Light Scattering Centers and Electron Collection Layer for High-Performance Polymer Solar Cells

Hao Liu, Runnan Yu, Yiming Bai, Yan Zeng, Yuanping Yi, Jun Lin, Jianhui Hou, and Zhan'ao Tan*

文章链接:https://doi.org/10.31635/ccschem.021.202000550


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