北理工團(tuán)隊(duì)在構(gòu)筑高效率且批次穩(wěn)定的有機(jī)太陽能電池給體材料方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2022-08-30 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院
編輯：段凱龍 審核：王振華 閱讀次數(shù)：
近日,，北理工化學(xué)與化工學(xué)院王金亮教授團(tuán)隊(duì)在構(gòu)筑高效率且批次穩(wěn)定的有機(jī)太陽能電池聚合物給體材料方面取得重要進(jìn)展,，相關(guān)研究成果發(fā)表在國(guó)際能源領(lǐng)域著名期刊《ACS Energy Letters》（DOI: 10.1021/acsenergylett.2c01316）上,，題為“A Random Terpolymer Donor with Similar Monomers Enables 18.28% Efficiency Binary Organic Solar Cells with Well Polymer Batch Reproducibility”,。北京理工大學(xué)為唯一作者通訊單位，化學(xué)與化工學(xué)院王金亮教授與安橋石特別研究員為該論文的通訊作者,，博士研究生白海瑞為論文的第一作者,，本科生劉明樵（其本科畢業(yè)論文被評(píng)為2021年北京市普通高等學(xué)校優(yōu)秀本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)）為共同作者。
為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo),，開發(fā)與利用高效率清潔能源是國(guó)家能源戰(zhàn)略中重大科學(xué)問題之一,。有機(jī)太陽能電池（Organic solar cells, OSCs）作為一種綠色光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，具有原料來源廣,、柔性,、多彩、半透明,、可大面積印刷或卷對(duì)卷（Roll-to-Roll）生產(chǎn),、環(huán)境穩(wěn)定性高等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，在太陽能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域綻放光彩并展現(xiàn)出巨大的商業(yè)應(yīng)用前景,。有機(jī)太陽能電池的性能主要取決于活性層光吸收,、激子離解、電荷傳輸和收集能力等,，設(shè)計(jì)合成新型高性能給/受體材料結(jié)合器件優(yōu)化是提升有機(jī)太陽能電池性能最有效的途徑,。目前，聚合物給體材料的性能批次差異性大是有機(jī)太陽能電池所面臨的主要問題之一,。能否開發(fā)高性能并對(duì)分子量不敏感的聚合物給體材料對(duì)有機(jī)太陽能電池發(fā)展十分重要,。關(guān)于有機(jī)太陽能電池給體材料設(shè)計(jì)，三元共聚合策可通過將第三組分合成砌塊引入給電子-缺電子（D-A）交替的聚合物主鏈中,，從而形成1D/2A或2D/1A無規(guī)聚合物結(jié)構(gòu),。通過控制各組分的比例，可以有效地調(diào)節(jié)目標(biāo)三元共聚合物給體的能級(jí),、吸收光譜、溶解度,、聚集和結(jié)晶等材料本征性質(zhì),，從而獲得高效有機(jī)太陽能電池給體材料。在過去工作中,，當(dāng)引入形狀或構(gòu)型差異大的第三組分模塊時(shí),，常存在隨機(jī)序列分布效應(yīng)從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)不規(guī)整的聚合物主鏈，會(huì)造成分子間堆疊的無序性,，從而會(huì)對(duì)鏈間的電荷傳輸性能產(chǎn)生不良影響,。因此，開發(fā)具有結(jié)構(gòu)規(guī)整和高光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）且批次重現(xiàn)性好的三元共聚合物給體材料仍然是一個(gè)挑戰(zhàn),，也是目前有機(jī)太陽能電池材料研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一,。
王金亮教授與安橋石特別研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)內(nèi)外課題組,，采用新型給/受體材料的創(chuàng)制、機(jī)器學(xué)習(xí)輔助篩選材料的策略以及高效率器件制備與表征手段等多維度和交叉合作的研究思路,，在硒吩化與端基鹵素調(diào)控給/受體材料與高性能有機(jī)太陽能電池器件制備（ ACS Energy Lett. 2018, 3 , 2967; ChemSusChem 2021, 14 , 4454; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60 , 19241（ESI高被引論文）; Energy Environ. Sci. 2022, 15 , 320; Adv. Funct. Mater. 2022, 32 , 2108289; Adv. Funct. Mater. 2022, 32 , 2200807等）,、高效全小分子有機(jī)太陽能電池器件制備（ Energy Environ. Sci. 2021, 14 , 3945（ESI高被引論文）; ACS Energy Lett. 2021, 6 , 2898等）以及機(jī)器學(xué)習(xí)輔助有機(jī)太陽能電池材料研究（ Energy Environ. Sci. 2021, 14 , 90（ESI高被引和熱點(diǎn)論文）; J. Mater. Chem. A 2021, 9 , 15684（ESI高被引和熱點(diǎn)論文）; Chem. Eur. J. 2022, 28 , e202103712（ESI高被引和熱點(diǎn)論文）; J. Mater. Chem. A 2022, 10 , 4170（ESI高被引和熱點(diǎn)論文））等方面取得了一系列研究進(jìn)展?；谠撓盗醒芯抗ぷ骰A(chǔ),，同時(shí)考慮到從骨架相同或相似但官能團(tuán)不同的單體中選擇雙富電子單元（D）或雙缺電子單元（A）與另外缺電子單元（A）或富電子單元（D）合成三元共聚合物，不僅可以減少共聚形成的無序排列效應(yīng),，也可以保持無規(guī)三元聚合物在優(yōu)化光電性能和獲得更有利形貌方面的優(yōu)勢(shì),。因此，王金亮教授團(tuán)隊(duì)近期以兩種結(jié)構(gòu)相似但官能團(tuán)不同的單體（BDT-F/BDT-Cl）為富電子單元,，苯并噻二唑并二噻吩衍生物（DTBT）作為缺電子單元,，通過調(diào)整摩爾比成功合成兩類三元共聚合物給體D18-20%Cl和D18-40%Cl （圖 1）。
圖1：（a）材料的化學(xué)結(jié)構(gòu),；（b）表面靜電勢(shì)（ESP）,；（c）薄膜的吸收光譜；（d）變溫吸收 I 0?0/ I 0?1強(qiáng)度比圖,；（e）給/受體材料的能級(jí)分布圖,。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著氯代單體比例的逐漸增加,，D18-20%Cl和D18-Cl40%Cl的HOMO能級(jí)逐漸下降,，有利于提升開路電壓（ V OC）。D18-20%Cl純薄膜顯示出明顯提高的結(jié)晶,，基于D18-20%Cl:Y6共混薄膜具有分布良好的纖維狀互穿網(wǎng)絡(luò)形貌和好的“face-on”結(jié)晶,，從而表現(xiàn)出更平衡和更強(qiáng)的空穴/電子遷移率與抑制的復(fù)合，有助于提升器件的短路電流密度（ J SC）與填充因子（FF）,。同時(shí),，通過使用結(jié)構(gòu)相似策略并控制兩種不同鹵素（F和Cl）取代的單體比例可協(xié)同提高三元聚合物給體D18-20%Cl結(jié)晶，同時(shí)克服過量Cl代單體導(dǎo)致的溶解度降低的問題,。使得D18-20%Cl在較寬的分子量范圍內(nèi)顯示出良好的結(jié)晶性和加工性,。
圖2：（a）太陽能電池的 J-V 曲線；（b）基于D18:Y6,，D18-20%Cl:Y6器件的PCE統(tǒng)計(jì)直方圖,；（c）文獻(xiàn)中報(bào)道基于三元聚合物給體器件PCE與 JSC 統(tǒng)計(jì)；（d）EQE外量子效率圖,。
最終,，基于三元聚合物給體D18-20%Cl:Y6的器件獲得18.28%的PCE，該P(yáng)CE是目前基于三元聚合物給體的二元有機(jī)太陽能電池的最高效率值之一（圖 2）。器件效率的提升主要?dú)w因于更高效的電荷生成和提取,，其得益于光子捕獲的增加,、能級(jí)及形貌的優(yōu)化（圖 3）。同時(shí),，基于D18-20%Cl:Y6的器件在較寬的分子量范圍（56.0-103.4 kDa）表現(xiàn)出高于17%的PCE,，這表明三元聚合物給體D18-20%Cl具有良好的器件性能同時(shí)具有對(duì)分子量不敏感的特性。因此,，三元聚合物給體D18-20%Cl在未來的大規(guī)模,、多批次合成中具有巨大的實(shí)用潛力。該工作證實(shí)了結(jié)構(gòu)骨架相似但具有不同類型的鹵原子的富電子單體進(jìn)行三元共聚的策略在光伏給體材料性能優(yōu)化和減少聚合批次差別方面具有積極作用,，其對(duì)后續(xù)高性能有機(jī)太陽能電池材料的設(shè)計(jì)具有重要意義,。
圖3：D18:Y6（a，e,，i）,，D18-20%Cl:Y6（b，f,，j）,，D18-40%Cl:Y6（c，g,，k）和 D18-Cl:Y6（d,，h，l）的AFM形貌圖,、TEM形貌圖和2D-GIXRD衍射圖,。
上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家海外高層次人才青年項(xiàng)目,、北京理工大學(xué)特立青年學(xué)者計(jì)劃等項(xiàng)目的資助以及北京市光電轉(zhuǎn)換材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持,。北京大學(xué)裴堅(jiān)教授、北京理工大學(xué)分析測(cè)試中心,、北京工商大學(xué)李熊教授為材料及器件表征提供了支持和幫助,。上海交通大學(xué)劉烽教授在形貌分析方面提供了幫助。上海同步輻射光源中心BL14B1線站為2D-GIXRD測(cè)試提供了支持,。
文章全文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.2c01316
附作者簡(jiǎn)介：
王金亮,，化學(xué)與化工學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師,。2008年北京大學(xué)博士畢業(yè)。主要從事有機(jī)與高分子光電能量轉(zhuǎn)換材料化學(xué)研究,，在單分散多氟代光伏給體材料和高效率含硒吩受體材料的高效合成以及器件性能調(diào)控方面開展了有特色的研究工作,。先后主持承擔(dān)了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、北京市自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、北京理工大學(xué)特立青年學(xué)者計(jì)劃等課題,。至今在 J. Am. Chem. Soc. 等國(guó)際高水平學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI論文80余篇,，總被引用6000余次。2016年被評(píng)為北理工優(yōu)秀碩士學(xué)位論文指導(dǎo)教師,，2021年被評(píng)為北京市優(yōu)秀本科畢業(yè)論文指導(dǎo)教師,。目前擔(dān)任《北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)英文版》第八屆編委會(huì)委員。
安橋石,，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院特別研究員,、博士生導(dǎo)師。2020年4月加入北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,，主要從事有機(jī)光電子材料與器件方面的工作,。迄今以第一/通訊作者身份在 Energy Environ. Sci. ; Angew. Chem., Int. Ed. ; ACS Energy Lett .; Adv. Funct. Mater. ; Nano Energy 等國(guó)際高水平期刊上發(fā)表SCI論文30余篇，其中ESI高被引論文9篇,，論文共計(jì)被引6000余次,，主持國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目。
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