北理工團(tuán)隊(duì)在全聚合物太陽(yáng)能電池受體材料構(gòu)筑方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2025-01-24 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 攝影：化學(xué)與化工學(xué)院
編輯：田柳 審核：王振華 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院王金亮教授團(tuán)隊(duì)在新型聚合物受體材料創(chuàng)制及其在高性能全聚合物太陽(yáng)能電池構(gòu)筑方面取得重要進(jìn)展,，相關(guān)研究成果發(fā)表在材料類(lèi)國(guó)際頂級(jí)期刊《 Materials Science and Engineering: R: Reports 》（影響因子IF = 31.6）上，題為“Electron-deficient fused dithieno-benzothiadiazole-bridged polymer acceptors for high-efficiency all-polymer solar cells with low energy loss”,。北京理工大學(xué)為第一通訊單位，化學(xué)與化工學(xué)院王金亮教授,、安橋石特別研究員、四川大學(xué)彭強(qiáng)教授,、徐小鵬教授,、華南理工大學(xué)吳宏濱教授為共同通訊作者,?；瘜W(xué)與化工學(xué)院博士生白海瑞和張恒以及四川大學(xué)博士生孟惠峰和李銀鳳為該論文的共同第一作者,。
“雙碳”戰(zhàn)略下,，綠色低碳能源的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)已成為研究熱點(diǎn)。全聚合物太陽(yáng)能電池（all-polymer solar cells, all-PSCs）作為一種實(shí)用型綠色光電轉(zhuǎn)換技術(shù),，具有輕,、薄,、柔和易加工等諸多優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛關(guān)注,。由于聚合物受體材料具有強(qiáng)分子鏈間纏繞能力與高的熱穩(wěn)定性，相應(yīng)的器件具有強(qiáng)的機(jī)械拉伸性能和穩(wěn)定的活性層形貌,，在柔性可穿戴便捷式電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景,。然而由于全聚合物太陽(yáng)能電池受體材料匱乏與活性層形貌敏感且難以調(diào)控,，其整體效率落后于其它類(lèi)型電子給受材料構(gòu)筑的有機(jī)太陽(yáng)能電池,。因此,，如何高效合成新穎聚合物受體材料和制備出高效率兼具穩(wěn)定性好的全聚合物太陽(yáng)能電池,，是該領(lǐng)域目前亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一,。
圖1. 聚合物受體的分子結(jié)構(gòu)和本征光電性質(zhì)圖
針對(duì)上述的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題,，王金亮教授團(tuán)隊(duì)在前期重原子取代的受體材料的創(chuàng)制及其在高性能有機(jī)太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用研究工作( Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202313016,； Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 19241, ESI高被引論文; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202216340,，ESI高被引論文; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202209454等)的基礎(chǔ)上,，采用聚合小分子受體化的構(gòu)筑策略,，以經(jīng)典的“Y系列”小分子受體作為基本主受體合成砌塊A1，分別以完全稠合的二噻吩苯并噻二唑DTBT單元以及非完全稠合的苯并噻二唑連二噻吩DT-BT作為缺電子橋接單元A2,，高效合成A1-A2型聚合物受體材料PY-DTBT和PY-DT-BT,，以及相應(yīng)的基于富電子噻吩橋接單元的經(jīng)典聚合物受體材料PY-IT（見(jiàn)圖1）。進(jìn)而系統(tǒng)探究不同電子效應(yīng)以及稠合程度的橋接單元對(duì)聚合物受體光電行為,、分子間堆積以及相應(yīng)全聚合物太陽(yáng)能電池的光伏性能和能量損失的影響和內(nèi)在機(jī)制,。
圖2. PM6/聚合物受體共混薄膜的形貌圖
圖3. 全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池的性能與能量損失圖
與PY-IT相比，A1-A2型聚合物受體PY-DTBT和PY-DT-BT純膜表現(xiàn)出略微藍(lán)移的吸收,，但吸收系數(shù)更高,，能級(jí)略微下移。與聚合物受體PY-DT-BT相比,，在聚合物主鏈中加入完全稠合的缺電子結(jié)構(gòu)DTBT的A2橋接單元,，促進(jìn)了分子內(nèi)電子離域，增強(qiáng)聚合物受體PY-DTBT的平面度,，從而有助于更好的結(jié)晶度和獲得高載流子遷移率特點(diǎn),。PM6/PY-DTBT共混薄膜具有均勻分布的原纖維網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，具有適當(dāng)?shù)南喾蛛x和更好的薄膜結(jié)晶取向,，可以促進(jìn)電荷的產(chǎn)生和提取,，并在相應(yīng)的全聚合物電池中實(shí)現(xiàn)更好的電荷遷移率平衡，抑制復(fù)合，從而提高了器件的短路電流密度 J SC和填充因子FF（見(jiàn)圖2）,。最終,，基于PM6/PY-DTBT的二元全聚合物太陽(yáng)能電池獲得17.58% 的光電能量轉(zhuǎn)換效率，優(yōu)于基于PM6/PY-IT與 PM6/PY-DT-BT器件效率,。更重要的是,，PM6/PY-DTBT的二元全聚合物太陽(yáng)能電池與其他全聚物電池相比，也獲得了非常低的能量損失（0.51 eV）,，實(shí)現(xiàn)了較高的開(kāi)路電壓,。此外，以PY-IT作為第三組分進(jìn)一步優(yōu)化形貌,，制備了基于PM6/(PY-DTBT90%:PY-IT10%)的三元全聚合物太陽(yáng)能電池獲得了18.51%的優(yōu)異光電能量轉(zhuǎn)換效率,，這是報(bào)道時(shí)基于A1-A2型聚合物受體的全聚合物太陽(yáng)能電池最高光電轉(zhuǎn)換效率之一（見(jiàn)圖3）。這項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)了將完全稠合的二噻吩苯并噻二唑DTBT用作缺電子橋鏈單元構(gòu)筑聚合物受體材料是開(kāi)發(fā)優(yōu)異的A1-A2型聚合物受體的一種簡(jiǎn)單有效的策略,，這為實(shí)現(xiàn)全聚合物太陽(yáng)能電池兼具高效率和低能量損失的特質(zhì)提供了新思路,。
上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目,、國(guó)家級(jí)青年人才項(xiàng)目,、全國(guó)博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃、北京理工大學(xué)特立青年學(xué)者計(jì)劃,、北京理工大學(xué)科技創(chuàng)新計(jì)劃特立學(xué)生科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目以及北京市光電轉(zhuǎn)換材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和北京理工大學(xué)分析測(cè)試中心的支持,。另外北京工商大學(xué)李熊教授團(tuán)隊(duì)以及上海交通大學(xué)的劉烽教授團(tuán)隊(duì)給予了大力支持,。
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mser.2024.100916
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