Advanced Energy Materials:具有C₂ᵥ对称结构的平面单元构筑可绿色溶剂加工的高效有机太阳能电池聚合物给体材料

非原创署名:薄志山课题组

论文相关信息

第一作者:汪航,路皓          

通讯作者:薄志山,刘亚辉       

通讯单位:青岛大学,北京师范大学     

  1. 全文速览:

我们设计并开发了一种具有C2V对称结构的平面单元(B2TCl)来构筑可用绿色溶剂加工的有机太阳能电池聚合物给体材料(PB2TCl-oPB2TCl-i)。在以BTP-ec9-4F作为受体材料,PB2TCl-o作为给体材料,通过非卤溶剂邻二甲苯加工的器件中获得了15.10%的光电转换效率。同时,在基于PB2TCl-o给体材料的半透明器件也获得了9.09%的光电转换效率(AVT为23.09%,AT为24.2%)。另外,我们利用B2TCl单元来构筑三元共聚给体材料(PW1和PW2)同样得到了优异的光电性能。通过非卤溶剂邻二甲苯加工,在基于PW1和PW2的器件中分别获得了16.26%和17.19%的光电转换效率。我们的这一研究工作为开发高效可绿色溶剂加工的有机太阳能电池聚合物给体材料提供了新的设计思路。

2、背景介绍:

有机太阳能电池因具有质轻,廉价,可大面积印刷等优点一直受到人们的广泛关注。最近几年得益于新型材料的开发,特别是非富勒烯受体材料的迅猛发展,有机太阳能电池的光电转换效率已经突破19%,发展前景广阔。但距离实际应用,仍然有一些问题有待解决。目前大多数高效有机太阳能电池都采用含卤溶剂来加工器件,比如氯仿,氯苯,邻二氯苯等等。在工业生产中这些含卤溶剂的使用无疑会造成严重的环境污染。因此,发展高效可绿色溶剂加工的有机太阳能电池对于未来的工业化应用具有重要意义。

3、研究出发点:

高效有机太阳能电池要求活性层具有双连续互穿网络结构以保证激子的解离和电荷的传输。在加工以小分子受体和聚合物给体组成的活性层时,通常聚合物首先析出形成网络结构,随后小分子在聚合物形成的网络结构之间固化,从而获得合适的活性层形貌。然而大多数高效聚合物材料在非卤溶剂中溶解性并不理想,因此在加工过程中容易形成大尺度的聚集体,从而限制了其光伏性能。通常人们采用引入长脂肪侧链和增加分子骨架扭曲程度的策略来改善聚合物的溶解性。然而这种策略同样会影响分子的结晶性以及在共混膜中的有序堆积,不利于激子的传输。因此,如何平衡材料的结晶性和溶解性是开发可绿色溶剂加工聚合物材料的重点。在本工作中,我们设计合成了donor-donor(D-D)型分子骨架的聚合物给体材料(PB2TCl-oPB2TCl-i)。相比于donor-acceptor (D-A)型聚合物材料,D-D型聚合物由于分子内的推拉电子效应减弱,使分子能级变宽,能够更好的匹配窄带隙受体材料;另外,这种分子结构能适当减弱分子间相互作用,从而提高聚合物的溶解性。并且聚合物的关键构筑单元B2TCl-oB2TCl-i具有C2V对称结构,使聚合物骨架呈现锯齿型构象,进一步提高了聚合物材料的溶解性。最终,在以BTP-ec9-4F作为受体材料,PB2TCl-o作为给体材料,通过非卤溶剂邻二甲苯加工的器件中获得了15.10%的光电转换效率。同时,在基于PB2TCl-o给体材料的半透明器件也获得了9.09%的光电转换效率(AVT为23.09%,AT为24.2%)。另外,我们利用B2TCl单元来构筑三元共聚给体材料同样得到了优异的光电性能。通过非卤溶剂邻二甲苯加工,在基于PW1PW2的器件中分别获得了16.26%和17.19%的光电转换效率。

4、图文解析:

Scheme 1. The chemical structure of BTP-ec9-4F and synthetic routes of PB2TCl-o and PB2TCl-i.

Figure 1. Optimal geometries of building block (B2TCl-o andB2TCl-i) determined by DFT.

Figure 2. (a, b) Normalized absorptions of PB2TCl-o and PB2TCl-i in o-DMB at different temperature; (c) Normalized absorptions of BTP-ec9-4F, PB2TCl-o and PB2TCl-i as films; (d) energy diagram of devices.

Figure 3. (a) JV and (b) EQEs curves; (c) transmission spectra of semitransparent OSCs; (d) color coordinates with different anode thicknesses on the CIE 1931 chromaticity diagram and photograph of semitransparent OSCs without Ag electrode.

Figure 4. (a~d) GIWAXS patterns of the neat/blend films of PB2TCl-o and PB2TCl-i. (e) The corresponding scattering profiles of the neat and blend films.

Figure 5. AFM and TEM images of PB2TCl-o:BTP-ec9-4F and PB2TCl-i:BTP-ec9-4F blend films.

Scheme 2. The chemical structures of random terpolymer PW1 and PW2.

5、总结与展望:

开发高效可绿色溶剂加工的有机光伏材料对于未来的工业化应用至关重要。在本工作中,我们通过设计具有C2V对称结构的D-D型有机太阳能电池聚合物给体材料,在提高聚合物材料溶解性的同时获得了高效的光伏性能。同时,利用平面单元B2TCl-o构筑的三元共聚给体材料同样获得了优异的光伏性能。我们的这一工作为设计高效可绿色溶剂加工的聚合物给体材料提供了有效的分子设计策略。

6、参考文献:

H. Wang, H. Lu, Y. N. Chen, G. Ran, A. Zhang, D. Li, N. Yu, Z. Zhang, Y. Liu, X. Xu, W. Zhang, Q. Bao, Z. Tang, Z. Bo, Adv. Mater. 2021, 2021, 2105483.

R. Hou, M. Li, X. Ma, H. Huang, H. Lu, Q. Jia, Y. Liu, X. Xu, H. B. Li, Z. Bo, ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 46220.

招聘:

青岛大学功能染料与应用技术研究院以薄志山教授为首席科研家,现高薪诚聘博士后若干人,课题组致力于光电材料与器件的研究,包括太阳能电池材料、器件物理、钙钛矿太阳能电池、发光二极管和柔性可穿戴器件等,博士后招聘详情请访问(http://rlzy.qdu.edu.cn/info/1010/1779.htm)。只要你也与我们一样有激情有梦想,请加入我们,我们可以一起相聚在青岛开创未来,有意着请联系:liuyh@qdu.edu.cn.

论文信息:

A Versatile Planar Building Block with C2V Symmetry for High-Performance Non-Halogenated Solvent Processable Polymer Donors

Hang Wang, Hao Lu, Ya-Nan Chen, Andong Zhang, Yuqiang Liu, Dawei Li, Yahui Liu*, Xinjun Xu, Zhishan Bo*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202104028

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202104028