非卤素加工的非对称聚合物宽带隙给体应用于非富勒烯太阳能电池效率达10%

最近几年,基于宽带隙(WBG)给体聚合物的有机太阳能电池发展的非常迅速,光电转化效率(PCE)已经超过了13%。然而,基于WBG聚合物给体器件的开路电压(Voc)一般都保持在0.8~0.9 V左右。

为了提高电池的开路电压,在设计合成阶段通常采用在聚合物主链上对称的引入两个弱的吸电子基团形成D-A-A型结构,降低给体的最高占有轨道(HOMO)能级实现。D-A-A型聚合物虽然实现了HOMO能级的调控,但是也存在一些问题,比如:因为位阻关系,在两个缺电子基团之间存在较高的扭转角,导致聚合物主链平面性下降,电荷传输困难等问题。近日,南昌大学化学学院陈义旺教授课题组和美国华盛顿大学Alex K.-Y. Jen课题组合作,合成了两种基于D-A-p新型宽带隙聚合物给体,PBDT-2TC 和 PBDT-S-2TC。这两个聚合物都是在主链上引入了一个非对称的双噻吩单酯基团,与富电子基团形成D-A-p结构。有效的调节了WBG聚合物给体的HOMO能级,同时也保证了聚合物主链的平面性。基于此,WBG聚合物给体PBDT-S-2TC在与ITIC共混的活性层制备器件后,获得了一个10.12%的较高的效率和0.96 V的开路电压。为了进一步研究该材料在绿色溶剂的应用,作者采用1,2,4-三甲苯(TMB)作为活性层溶剂进行加工和制备有机光伏器件,结果表明,该材料在非卤溶液中有很好的溶解性,与ITIC共混制备的设备仍然可以保持一个较高的器件性能,光电转化效率达9.55%,这一结果在采用非卤加工的非富勒烯有机太阳能电池中也是比较高的。

图1  (a)和(b)分别为PBDT-2TC和PBDT-S-2TC分子的DFT模拟计算图。

图2  两种聚合物采用不同溶剂制备器件的I-V曲线图。

该工作采用新型非对称D-A-p结构,通过降低分子主链的扭转角并保持器件的高开路电压进而实现了高效的器件性能,并适用于非卤加工。研究成果为今后有机太阳能电池在材料结构设计类型和非卤加工上的研究进一步发展提供指导意义。相关工作发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201706517)上,文章的第一作者是南昌大学化学学院的硕士研究生安永康与南昌大学化学学院的博士研究生廖勋凡(共同一作),南昌大学陈义旺教授和谌烈教授以及华盛顿大学任广禹(Alex K.-Y. Jen)教授为共同通讯作者。