北理工在硒吩類聚合物太陽能電池受體材料領域取得進展
發(fā)布日期：2021-08-18 供稿：化學與化工學院 王金亮 攝影：王金亮
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近日，北京理工大學化學與化工學院王金亮教授團隊首次合成了一系列A-DA'D-A型非富勒烯小分子受體材料（S-YSS-Cl,、A-WSSe-Cl和S-WSeSe-Cl）,，通過逐步增加硒吩環(huán)的數(shù)目并結合不對稱分子骨架的協(xié)同策略,，精準的調控和優(yōu)化了硒吩類聚合物太陽能電池薄膜的形貌和器件性能參數(shù)，獲得了高達17.51%的光電轉換效率,。相關成果以“Synergistic Strategy of Manipulating the Number of Selenophene Units and Dissymmetric Central Core of Small Molecular Acceptors Enables Polymer Solar Cells with 17.5% Efficiency”為題,，發(fā)表在國際化學頂級期刊《Angewandte Chemie International Edition》(2021, 60 , 19241-19252)上?；瘜W與化工學院博士生楊燦為該論文的第一作者,，化學與化工學院王金亮教授和安橋石特別研究員為共同通訊作者，北京理工大學為唯一通訊單位,。論文的合作者還包括化學與化工學院張紹文教授和韓國高麗大學的Han Young Woo教授,。
圖1 硒吩類受體材料的分子結構、晶體堆積和太陽能電池性能之間構效關系圖
環(huán)境污染和能源危機是當今世界面臨的兩大難題,，開發(fā)和利用高效率清潔能源是國家能源戰(zhàn)略中亟需解決的重大科學問題,。聚合物太陽能電池憑借其重量輕、機械柔性高,、半透明,、易于卷對卷印刷等優(yōu)點，近年來在高效率清潔能源材料領域引起了廣泛關注,。非富勒烯小分子受體材料因能更好地吸收長波和優(yōu)化的化學結構,，增強了器件參數(shù)的平衡，從而顯著提高了聚合物太陽能電池的光電轉換效率,。與噻吩類小分子受體材料相比,，含有硒吩及其衍生物的受體材料經(jīng)常表現(xiàn)出吸收光譜紅移和電荷傳輸能力強的優(yōu)點，使其在實現(xiàn)更高性能方面具有更多的可能性,。但材料合成具有一定的挑戰(zhàn),，此前基于高效率的硒吩類受體材料體系的研究報道相對較少。同時,，如何通過解析分子化學結構,、聚集形態(tài)特征(如單晶分子堆積和相分離)、理解其與宏觀器件性能之間的關系,，開發(fā)新型給受體材料,，進而制備出高效率的聚合物太陽能電池，是目前科研人員一直關注和致力于解決的關鍵性科學問題,。
針對上述基礎問題和重大需求,，近年來，王金亮教授團隊聯(lián)合國內外課題組，采用簡便高效的合成策略,，開發(fā)了多種高效率的有機小分子給受體材料體系和電池器件,，在多氟代寬帶隙D-A-D型小分子給體材料體系及其在三元器件中的應用( J. Am. Chem. Soc. 2016 , 138, 7687; Adv. Funct. Mater. 2016, 26 , 1803； Joule, 2019 , 3 , 846,； Adv. Funct. Mater. 2015, 25 , 3514等),、A-D-A型噻吩并硒吩或苯并二硒吩類光伏小分子受體材料體系( ACS Energy Lett., 2018, 3 , 2967等)、高效率全小分子類太陽能電池器件( Energy Environ. Sci. 2021, 14 , 3945等),，基于機器學習的高效率受體材料的預測和篩選( Energy Environ. Sci. 2021, 14 , 90,； J. Mater. Chem. A ，2021,， 9 , 15684等)等方面取得了一系列研究進展,。
圖2 聚合物太陽能電池的器件結構（左圖）；基于單個硒吩環(huán)的非對稱結構A-WSSe-Cl與其他已報道硒吩類的受體材料的光伏器件結果對比統(tǒng)計圖（右圖）,。
為了實現(xiàn)更高效率的硒吩類受體材料體系,，王金亮教授團隊最近合成了一系列對稱或不對稱的A-DA'D-A型含不同硒吩環(huán)數(shù)目(0、1,、2)的小分子受體材料(S-YSS-Cl,、A-WSSe-Cl和S-WSeSe-Cl) (見圖1)。該團隊系統(tǒng)地研究了這類新型硒吩類受體分子的光譜吸收,、單晶堆積,、光伏性能和共混膜形貌的協(xié)同效應和構效關系。研究結果表明,，從S-YSS-Cl到A-WSSe-Cl再到S-WSeSe-Cl,，純相薄膜的光學帶隙逐漸變窄和電子遷移率逐漸增加。復雜的單晶培養(yǎng)和結構解析研究表明,，硒吩取代數(shù)量的增加導致分子間的π?π相互作用越來越強,。此外，由于額外的S???N之間的非共價分子間弱相互作用的存在,，與噻吩類似物S-YSS-Cl相比,，A-WSSe-Cl與S-WSeSe-Cl晶體中含有更加有序且高效的三維互穿電荷傳輸通道。此外,，當與常見聚合物給體材料PM6混合時,，基于含有單個硒吩環(huán)的A-WSSe-Cl與PM6共混膜呈現(xiàn)出最佳的分子間堆積面和最有利的三維納米纖維狀互穿網(wǎng)絡薄膜形貌，產(chǎn)生最高且最平衡的電荷遷移率,。器件結果表明,，基于不對稱型分子結構A-WSSe-Cl的光電轉換效率高達17.51%，明顯優(yōu)于基于對稱型分子結構S-YSS-Cl(光電轉換效率為16.73%)和S-WSeSe-Cl(光電轉換效率為16.01%)的器件性能,。值得注意的是，17.51%的光電轉換效率是目前所報道的基于硒吩環(huán)取代的小分子受體材料的聚合物太陽能二元電池器件的最高性能之一(見圖2)。這些結果表明,，基于硒吩環(huán)取代的不對稱型小分子受體在聚合物太陽能電池中有著巨大應用潛力,。精準調制硒吩環(huán)取代的數(shù)量并結合不對稱分子骨架的協(xié)同策略，可以有效的解決二元電池器件參數(shù)之間的平衡問題,，實現(xiàn)了光電轉換效率上的突破,。這些都為合成更加高效率的A-DA’D-A型非富勒烯小分子受體材料體系提供了一種新策略。
文章全文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202104766
上述研究工作得到了國家自然科學基金項目,、國家海外高層次人才青年項目,、國家重點研發(fā)計劃項目、北京理工大學特立青年學者計劃等項目以及北京市光電轉換材料重點實驗室的支持,。學校分析測試中心提供了材料基本表征和有機薄膜光電器件測試平臺方面的支持,。
此外，王金亮教授團隊今年還報道了其他類型的含硒吩環(huán)的高效率聚合物太陽能電池光活性層材料體系,，如高效率的基于二維共軛側鏈修飾的苯并二硒吩類小分子受體材料( J. Mater. Chem. A , 2021, 9, 15665),，基于單氯代區(qū)域異構化的端基修飾的噻吩并硒吩類小分子受體材料( J. Mater. Chem. C , 2021, 9 , 1923)，結合骨架異構和核心區(qū)域異構化策略的含硒吩異構體小分子材料( ACS Appl. Mater. Interfaces , 2021, 10.1021/acsami.1c12028),，以及基于二維共軛側鏈修飾的苯并二硒吩類高效率聚合物給體材料體系( ChemSusChem , 2021, 10.1002/cssc.202101232)等,。更多進展請關注王金亮教授團隊網(wǎng)頁。https://cce.bit.edu.cn/kyjgjktz/wjlktz/index.htm
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