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氯取代两维共轭聚合物——甲苯制备聚合物太阳能电池效率达到13.1%

行业资讯 / 2021-05-17 00:36

本文摘要:【章节】聚合物太阳能电池(PSCs)作为一种新兴的清洁能源技术,由于其具备半透明性、柔性以及可大面积制取等优点,近年来受到了普遍注目。近三年来,n型有机半导体(n-OSs)作为非富勒烯(NF)受体在高性能PSCs中获得了蓬勃发展,这是因为与传统富勒烯衍生物比起,n型有机半导体具备前体来源普遍、制取成本低、吸取和能级固定式、能量损失小、形貌稳定性高等优点。迄今为止,单结NF-PSCs的功率切换效率(PCEs)已超过11–13%。

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【章节】聚合物太阳能电池(PSCs)作为一种新兴的清洁能源技术,由于其具备半透明性、柔性以及可大面积制取等优点,近年来受到了普遍注目。近三年来,n型有机半导体(n-OSs)作为非富勒烯(NF)受体在高性能PSCs中获得了蓬勃发展,这是因为与传统富勒烯衍生物比起,n型有机半导体具备前体来源普遍、制取成本低、吸取和能级固定式、能量损失小、形貌稳定性高等优点。迄今为止,单结NF-PSCs的功率切换效率(PCEs)已超过11–13%。在与宽带隙聚合物共混时,IT-4F基PSCs表明出高约13.1%的PCE。

由于较好给定的聚合物给体和n-OS受体在取得高效PSCs中起着至关重要的起到,因此普遍的制备变化(如原子代替、侧链标记和引进芳族米粉环)被用作优化高性能聚合物给体。其中原子代替,尤其是氟(F)原子代替氢原子引发了人们的普遍注目,并在分子设计中获得了普遍的应用于【成果概述】近日,来自苏州大学的张茂杰教授(通讯作者)团队在NanoEnergy发文,为题:“Chlorinesubstituted2D-conjugatedpolymerforhigh-performancepolymersolarcellswith13.1%efficiencyviatolueneprocessing”。研究人员设计并制备了一种新的D-A型两维共轭聚合物PM7,它所含氯化噻吩基苯并二噻吩(BDT-2Cl)给体单元和苯并二噻吩-4,8-二酮受体单元。与无氯代替的对照聚合物PBDB-T比起,PM7具备较低的HOMO能级、较高的吸收系数、较强的结晶性和较高的载流子迁移率。

此外,以PM7为给体、IT-4F为受体的光伏器件在用于非卤溶剂甲苯做到溶剂时,在取得0.88V的高开路电压、20.9mA·cm-2的短路电流密度的同时,填满因子(FF)为71.1%的,从而获得了13.1%的能量转化成效率(PCE)。而完全相同条件下,PBDB-T:IT-4F体系的PSC在较低Voc为0.67V的条件下仅有展现出出有5.8%的较低PCE。

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13.1%的PCE是迄今为止报告的非卤溶剂制取的光伏器件能量转化成效率最高值之一。这些结果表明,氯代替是设计高性能共轭聚合物光伏材料的一种非常简单有效地的策略。【图文简介】图1.制备示意图(a)PM7制备路线;(b)在B3LYP/6–31G*(d,p)级DFT计算出来获得的HOMO和LUMO电子产于以及能级;(c)单体在浓度为1×10–5M甲苯溶液中的吸收光谱;图2.分子能级结构(a)分子结构(b)聚合物给体和非富勒烯受体IT-4F的吸收光谱;(c)聚合物给体和非富勒烯受体IT-4F的分子能级图;图3.光伏性能测试(a)在5G光源(100mWcm-2)太阳光下的J-V曲线;(b)PM7:IT-4F共混制取的PSCs的EQE曲线;(c)PM7:IT-4F共混制取的PSCs活性层厚度与PCE的关系趋势图;(d)JphvsVeff;(e)PM7:IT-4F共混制取的PSCs中Voc随透射的变化;(f)PM7:IT-4F共混制取的PSCs中Jph随透射的变化;图4.二维GIWAXS密切相关(a)显聚合物及涉及共混膜的二维GIWAXS剖面及适当的(b)IP和(c)OOP线托;(d)共混膜的RSoXS衍射产于。

【总结】研究人员设计制备了基于一种新的不含氯的BDT-2Cl给体单元的聚合物PM7,并将其作为给体应用于非富勒烯有机太阳能电池。与传统的分子主链上具有氯代替基的氯化聚合物有所不同,PM7在聚合物共轭侧链上氯化,不利于弱化Cl原子在聚合物主链上的空间位阻效应。与PBDB-T比起,PM7具备较低的HOMO能级、较高的吸收系数、较强的结晶性和较高的载流子迁移率。此外,基于PM7:IT-4F的甲苯不作溶剂的光伏器件获得了Voc为0.88V、Jsc为20.9mA·cm-2和FF为71.1%的情况下,PCE高达13.1%,而基于PBDB-T:IT-4F的PSC仅有取得5.3%的PCE。

13.1%的PCE是迄今为止报导的非卤溶剂制取的光伏器件的最高值之一。结果表明,氯代是设计高性能聚合物光伏材料的一种非常简单、廉价、有效地的策略。


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