華南理工大學Adv. Energy Mater.：以聚合物太陽電池的大規模應用為導向的共軛聚合物設計

背逆時光 6年前 (2017-09-19) 3832瀏覽

【引言】

近年的研究發現，通過廉價高效的制作工藝有望實現輕質、柔性、大面積聚合物太陽電池的制備，然而由于種種因素聚合物電池從實驗室走向實際應用市場仍面臨挑戰。為實現聚合物太陽電池規模化制備和商業化應用，需滿足以下幾個條件。首先，在實際光電器件的應用中，聚合物通常需滿足造價低廉與高能量轉化效率（PCEs）的要求。例如，從成本方面而言，基于C60富勒烯的受體相對基于C70的受體價格更低廉，但是基于C60受體的聚合物太陽電池的PCE較低，PCE基本不超過8.0%。其次，為了避免大面積加工過程中薄膜出現缺陷，高性能聚合物電池通常需要較厚的活性層。再者，綠色環保聚合物太陽電池需要使用無鹵素溶劑。最后，聚合物的制備宜在較溫和的加工溫度下進行。然而，滿足以上所有條件的聚合物十分罕見，因此需要發展新型光伏聚合物以促進聚合物電池的規模化制備和實際應用。

【成果簡介】

近日，華南理工大學的黃飛教授與段春暉教授、埃因霍芬理工大學的René A. J. Janssen教授、香港中文大學的路新慧教授（共同通訊作者）等人在Advanced Energy Materials 上發表最新研究成果 “Conjugated Polymers Based on Difluorobenzoxadiazole toward Practical Application of Polymer Solar Cells”。碩士生王君易是該論文的第一作者。在該文中，研究者基于二氟苯并噁二唑（ffBX）與苯并二噻吩（BDT）合成了兩個半導體共軛聚合物BDT-ffBX-DT與BDT-ffBX-OD，該類聚合物能夠提供高的能量轉換效率，并且能在較大的活性層厚度下高效地工作。BDT-ffBX-DT與廉價的C60富勒烯基受體混合后，利用環境友好的非鹵代溶劑在溫和的溫度下進行加工，在厚度超過250 nm的活性層中PCE可高達9.4%。該類新型光伏聚合物擁有獨特的電子結構和電荷傳輸性能，能夠在體異質結薄膜中形成纖維狀連續互穿網絡的相分離形貌，并顯現出優異的光伏性能，是用于聚合物太陽電池大面積印刷加工的理想材料。

【圖文導讀】

圖1 聚合物結構與表征

（a）BDT-ffBX-OD、BDT-ffBX-DT分子結構式；

（b）三聚體的DFT模擬分子構型；

（c）o-DCB溶液中的聚合物與聚合物薄膜的UV-vis 吸收曲線；

（d）聚合物與[60]PCBM的能級圖。

圖2 聚合物太陽電池性能表征

（a）聚合物：[60]PCBM太陽電池J–V曲線；

（b）太陽電池的EQE曲線；

（c）聚合物太陽電池的電流密度–光強曲線。

圖3 GIWAXS圖

（a）純BDT-ffBX-OD；

（b）以o-DCB/CB為溶劑制備的BDT-ffBX-OD:[60]PCBM；

（c）以鄰二甲苯為溶劑制備的BDT-ffBX-OD:[60]PCBM；

（d）純BDT-ffBX-DT；

（e）以o-DCB/CB為溶劑制備的BDT-ffBX-DT:[60]PCBM；

（f）以鄰二甲苯為溶劑制備的BDT-ffBX-DT:[60]PCBM；

（g）qz軸GIWAXS強度；

（h）qr軸GIWAXS強度。

圖4 聚合物TEM電鏡圖片

（a）以o-DCB/CB為溶劑制備的BDT-ffBX-OD:[60]PCBM TEM圖；

（b）以鄰二甲苯為溶劑制備的BDT-ffBX-OD:[60]PCBM TEM圖；

（c）以o-DCB/CB為溶劑制備的BDT-ffBX-DT:[60]PCBM TEM圖；

（d）以鄰二甲苯為溶劑制備的BDT-ffBX-DT:[60]PCBM TEM圖。

【小結】

在這項工作中，研究者基于ffBX經過優化電子結構、聚合物骨架、側鏈長度，最終制備得到新型半導體共軛聚合物BDT-ffBX-DT與BDT-ffBX-OD，該類聚合物具有較寬的能帶間隙（~1.7 eV），其能量轉化效率可高達9.4%。基于該類共軛聚合物太陽電池的制備過程溫和、綠色、廉價、光伏性能優異，促進了聚合物太陽電池走向大面積印刷加工和實際應用市場的發展。

文獻鏈接：Conjugated Polymers Based on Difluorobenzoxadiazole toward Practical Application of Polymer Solar Cells(Adv. Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201702033）

本文由材料人新能源學術小組曾沙供稿。

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