Advanced Energy Materials:超宽vs.超低带隙:平行三元和四元设计新策略及形貌调控与表征新方法

在新一代太阳能电池中,有机太阳能电池(OSCs)具有成本低、质量轻、半透明、柔性可折叠、可大面积制造等优点,在可穿戴设备、半透明窗户、建筑物外墙等领域展现出重要的应用潜力,特别是Y6类非富勒烯小分子受体材料问世以来,OSCs的效率提高到了16%以上,有机光伏领域迎来了更加光明的发展前景。目前,在提高器件能量转换效率的策略中,通过引入第三、第四组分来提高器件参数(短路电流密度(Jsc)、开路电压(Voc)和填充因子(FF))的三元、四元策略已被证明是一个行之有效的方法。已报道的三元和四元策略尽管可以通过吸收互补或引入高LUMO能级的客受体或低HOMO能级的客给体等方式获得更高的JscVoc,甚至FF。然而,由于我们在“客体组份如何调节共混膜形貌方面”的认识还很肤浅,因此,大大限制了理性筛选和设计客体组份来实现高效率的三元和四元电池的成功几率。

近日,内蒙古师范大学詹传郎教授团队反其道而行之,他们不是选取更低带隙的客体组份来增强活性层材料对近红外区太阳光子的吸收,而是选取超宽带隙的聚合物客给体材料,一方面弥补活性层材料在短波长处的吸收窗口,另一方面调节活性层形貌,使客给体聚合物不仅形成独立的空穴传输通道,增强空穴传输能力,还选择性地增强了受体相的结构有序性,提高了电子迁移率,实现了在维持或改善FF的前提下VocJsc的同时提高,获得了16.4%和17.2%效率的三元和四元有机太阳电池。同时,他们还应用19F魔角旋转固体核磁共振(19F MAS NMR)、掠角入射X-射线衍射(GIWAXS)、透射电镜元素mapping、超快光谱、荧光光谱等技术详细表征了三元和四元共混膜的形貌及电荷分离性质,特别是,聚合物客给体形成的独立空穴传输通道、(原二元、三元体系)给受体相的短程和长程结构有序性的选择性调节、客给体参与的超快电荷分离与传输性质等。

在这项工作中,他们和华侨大学黄剑华副教授合作,用硒吩取代噻吩降低了邻苯二甲酰亚胺基聚合物给体材料的HOMO能级(-5.6eV),合成了一个超宽带隙(2.1eV)的聚合物客给体(PhI-Se)。PhI-Se的吸收正好弥补了PM6:Y6体系在300-600nm处的吸收窗口,作为聚合物客给体引入到PM6:Y6体系中,有利于活性层对短波长太阳光子的吸收和利用。透射电镜元素mapping数据清楚地表明:PhI-Se作为聚合物客给体形成了独立于PM6和Y6之外的纤维状三维网状结构。由于PM6和Y6都是19F取代的衍生物,而且两者的19F信号出现在19F谱的不同位置,因此,作者应用19F MAS NMR技术表征了PhI-Se对PM6和Y6相的短程结构有序性的选择性调节,并结合GIWAXS数据表征了PhI-Se对给受体相的长程结构有序性的调控,两者相结合,加深了我们对“聚合物客给体选择性调节原二元甚至三元体系的给受体相结构有序性”的认识。他们和南京大学张春峰教授课题组合作,用fs-和ns-超快光谱技术表征了形成独立空穴传输通道的超宽带隙聚合物客给体对原二元及三元体系给受体间电荷分离动力学的影响。电荷传输方面的表征数据表明,电子迁移率得到了提高,虽然空穴迁移率没有提高,但是由于客给体形成了独立的空穴传输通道,提高了空穴传输能力,因此,整体上看,加入PhI-Se后,电子和空穴传输性能同时得到了提升,贡献于短路电流的提高,同时,由于PhI-Se的HOMO能级比PM6的低,保证了Voc的提升,因此,实现了在维持甚至提高FF的前提下VocJsc的同时提升。

总之,本项研究通过设计合成一个新的聚合物客给体,报道了基于超宽带隙客给体设计平行三元和四元材料体系的新策略以及共混膜形貌表征的新方法,相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.202001436)上。