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蘇州大學(xué)張茂杰教授課題組:簡(jiǎn)單制備的對(duì)活性層膜厚和器件面積變化不敏感的高效非富勒烯聚合物太陽(yáng)能電池
2018-01-03  來(lái)源:材料人

  最近,蘇州大學(xué)先進(jìn)光電材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的張茂杰教授用一種以氟取代噻吩基苯并二噻吩為給體單元、苯并二噻吩二酮為受體單元的二維共軛聚合物給體材料PM6做給體,非富勒烯IDIC做受體,不需要任何特殊處理的情況下簡(jiǎn)單方便的制備了對(duì)活性層厚度和器件面積不敏感的高效非富勒烯太陽(yáng)能電池(能量轉(zhuǎn)化效率11.9%),相關(guān)工作發(fā)表在Advanced Materials(IF = 19.791)上。

  張茂杰教授在前期對(duì)富勒烯聚合物太陽(yáng)能電池的研究中發(fā)現(xiàn),將氟原子引入到噻吩基取代的苯并二噻吩(BDT-T),能夠同時(shí)降低聚合物的HOMO能級(jí)、提高聚合物的消光系數(shù)、增強(qiáng)分子間的相互作用、提高材料的結(jié)晶性和空穴遷移率,從而使中間帶隙共軛聚合物光伏器件的能量轉(zhuǎn)化效率從4.5%提高到8.6% (Advanced Materials, 2014, 26, 1118)1。后來(lái),其又將將氟原子引入到噻吩基取代的苯并二噻吩引入到寬帶隙共軛聚合物體系,得到新的聚合物PM6,使用PM6為給體、富勒烯PCBM為受體制備的聚合物太陽(yáng)能電池的效率為9.2%(Voc = 0.98 V) (Advanced Materials, 2015, 27, 4655)2。后來(lái),在聚噻吩衍生物電子供體上引入氟原子,合成新的聚合物給體材料PBDD-ff4T,該材料的富勒烯受體聚合物太陽(yáng)能電池在不經(jīng)過(guò)任何后處理的情況下,取得9.2%的能量轉(zhuǎn)化效率。同時(shí),氟原子的引入能夠顯著改善器件對(duì)活性層厚度變化的敏感性(Adv. Energy Mater., 2016, 6, 1600430)3,當(dāng)活性層厚度達(dá)到250 nm時(shí),光伏器件的能量轉(zhuǎn)化效率仍可維持在最佳效率的80%。

  近期,利用給、受體吸收光譜互補(bǔ)作用,該團(tuán)隊(duì)以PM6為給體、以窄帶隙的ITIC為受體共混制備了非富勒烯聚合物太陽(yáng)能電池,在開(kāi)路電壓高達(dá)1.04 V的情況下依然獲得了9.7%的效率。相關(guān)工作發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A(2017, 5, 22180)4,且該論文入選2017年JMCA雜志的熱點(diǎn)論文。為了獲得更高的器件效率,該研究團(tuán)隊(duì)以PM6為給體、以結(jié)晶性更強(qiáng)的窄帶隙的IDIC為受體共混制備了非富勒烯聚合物太陽(yáng)能電池。在無(wú)任何后處理的情況下獲得了高達(dá)11.9%的效率(Voc= 0.97 V,Jsc = 17.8 mA cm-2和FF = 69%),作者申明這在當(dāng)時(shí)是無(wú)任何后處理器件的最高效率值,相關(guān)工作發(fā)表在Advanced Materials (2017, DOI: 10.1002/adma.20170454627)5。

  為了研究該聚合物太陽(yáng)能電池的實(shí)際應(yīng)用潛力,他們制備了不同活性層厚度和不同器件面積的聚合物太陽(yáng)能電池,發(fā)現(xiàn)在活性層膜厚范圍為95-255 nm、器件面積為0.20-0.81 cm2之間時(shí)均可以獲得超多11%的能量轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)器件面積高達(dá)1.25 cm2時(shí),初步優(yōu)化的柔性聚合物太陽(yáng)能電池依然收獲了6.54%的能量轉(zhuǎn)換效率。基于PM6:IDIC的共混膜擁有良好的相分離和互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),同時(shí)強(qiáng)結(jié)晶性的PM6在共混膜中擁有16±6 nm的較長(zhǎng)激子擴(kuò)散距離。上述結(jié)果表明,該活性層體系適用于高效柔性大面積器件的簡(jiǎn)單(無(wú)后處理)制備,一定程度上推動(dòng)了聚合物太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

圖1. (a)聚合物給體和小分子受體的結(jié)構(gòu)式,(b)吸收曲線,(c)能級(jí)示意圖。

圖2.(a)不同活性層膜厚時(shí)的電流-電壓曲線;(b)外量子效率曲線;(c)器件效率與活性層膜厚的關(guān)系;(d)不同器件面積時(shí)的電流-電壓曲線。

圖3. 柔性器件的電流-電壓曲線。

表1. 不同活性層厚度和不同器件面積太陽(yáng)能電池的光伏參數(shù)表。

圖4. PM6:IDIC的共混膜在不同處理?xiàng)l件下的GIWAXS和ReSOXS圖。

圖5. (a)PM6的激子擴(kuò)散示意圖;(b)PM6純膜和PM6:ITIC共混膜的時(shí)間分辨PL圖。

  柔性大面積器件得到國(guó)家納米科學(xué)中心魏志祥研究員的幫助;GIWAXS和ReSOXS測(cè)試得到上海交通大學(xué)劉峰教授和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Thomas P. Russell教授的幫助;時(shí)間分辨PL光譜測(cè)試得到新加坡南洋理工大學(xué)吳波博士和Tze Chien Sum教授的幫助.感謝國(guó)家自然科學(xué)基金(Nos. 51422306, 51503135, 51573120, and 91633301)和江蘇省自然科學(xué)基金(Grant No. BK20150332)的資助和支持。

論文鏈接:

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201304427/abstract

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201502110/abstract

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201600430/full

http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2017/TA/C7TA07785H#!divAbstract

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201704546/full

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