Joule: 高效聚噻吩:非富勒烯有機太陽能電池

金也 3年前 (2020-06-06) 6400瀏覽

【研究背景】

近年來有機太陽能電池取得快速發展，能量轉換效率已突破18%，接近商業化水平。這些高效光伏體系大都以給受體型共軛聚合物作為給體材料，盡管獲得了理想的器件性能，但是這類聚合物大都存在合成過程復雜、難以宏量制備等問題，大幅增加了材料的制備成本，嚴重制約了該類材料的實用化。與之相反，聚噻吩及其衍生物是一類典型的低成本、易宏量合成的有機半導體材料因而受到廣泛關注。但是由于聚噻吩類材料通常具有較高的結晶性，使得給受體共混薄膜的相分離結構更為復雜，目前基于聚噻吩:非富勒烯共混體系的器件效率最高只有~12%。因此，深入理解這類結晶性體系的相分離結構，建立系統全面的分子結構-薄膜相態-器件性能之間的關系對聚噻吩體系進一步的優化和發展具有重要意義。

【成果簡介】

近日，天津大學材料科學與工程學院耿延候教授、葉龍教授團隊以目前高效的聚噻吩:非富勒烯體系即PDCBT-Cl:ITIC-Th1為研究對象，同時通過改變受體材料的末端基團和中間單元，選擇了另外四個代表性的非富勒烯受體材料（ITIC、 IT4F、IDIC、Y6），從共混熱力學和成膜動力學兩方面對聚噻吩:非富勒烯體系進行了系統的相形態研究。其中PDCBT-Cl與ITIC-Th1具有合適的相容性，且共混薄膜表現出較高的分子有序性，通過精確的后處理調控可使共混薄膜中混合相組成鎖定在滲透閾值附近，從而獲得了超過12%的器件效率。而PDCBT-Cl與Y6則高度相容，共混體系處于單相態，嚴重破壞了給體材料的有序堆積，器件效率只有0.5%。基于對上述五種共混體系的系統研究，文章最后也為高效聚噻吩體系的分子設計及器件優化提出了一些可行方案。這項工作為高效低成本有機太陽能電池的進一步發展提供了有效指導。相關結果以“Optimization Requirements of Efficient Polythiophene:Nonfullerene Organic Solar Cells”為題發表在Joule上。

【圖文簡介】

圖1. 聚噻吩衍生物PDCBT-Cl與五種代表性非富勒烯受體材料化學結構式

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圖2. PDCBT-Cl:非富勒烯共混體系光伏性能表征

（A） 優化條件下器件的電流密度-電壓（J-V）特性曲線；

（B） 優化條件下器件的EQE曲線。

圖3. PDCBT-Cl:非富勒烯體系共混薄膜分子有序性及結晶結構表征

（A-E）共混薄膜二維X射線衍射圖 （F）共混薄膜一維X射線衍射圖

圖4. 優化條件下PDCBT-Cl:非富勒烯體系共混薄膜微觀結構表征

（A）共混薄膜一維共振軟X射線散射圖；

（B）共混薄膜相區純度及相區尺寸

圖5. 熔點降低法測試PDCBT-Cl與不同受體材料在熔點溫度下的χaa參數

圖6. PDCBT-Cl:非富勒烯共混體系動力學淬滅

(a)不同退火時間下共混體系相純度變化; (b)器件性能與溶劑退火時間的關系

圖7. PDCBT-Cl:非富勒烯體系薄膜相態與光伏性能之間的關系

（A）PDCBT-Cl與不同受體材料共混體系χ-?相圖

（B）優化后的PDCBT Cl:ITIC-Th1及PM6:Y6體系光伏器件J-V曲線。虛線表示當PDCBT-Cl:ITIC-Th1體系最大EQE值與PM6:Y6體系相同時所能達到的器件性能。

【小結】

這項工作從共混熱力學及成膜動力學兩方面對聚噻吩體系分子結構-薄膜相態-器件性能之間的關系進行了系統研究，并獲得了初步結論。給受體材料的相容性及分子有序性對聚噻吩:非富勒烯體系薄膜形貌及器件性能有重要影響。非富勒烯受體材料需要與聚噻吩給體材料在熱力學上匹配，高度相容的體系難以獲得高的器件性能。文章最后也為高效聚噻吩體系的分子設計提出了一些可行方案。同時本文強調采用物理參數如無定型-無定型相互作用參數χaa、結晶-無定型相互作用參數χca等可以為聚噻吩體系給受體材料搭配提供有效指導。

文獻鏈接：Optimization Requirements of Efficient Polythiophene:Nonfullerene Organic Solar Cells, 2020, Joule, DOI:10.1016/j.joule.2020.04.014.

團隊介紹：

耿延候 http://tjmos.tju.edu.cn/gyh/index.htm

葉龍 https://www.x-mol.com/groups/long-ye

李淼淼 http://tjmos.tju.edu.cn/info/1316/1918.htm

團隊近期成果

  1. Dandan Pei, Zhongli Wang, Zhongxiang Peng, Jidong Zhang, Yunfeng Deng, Yang Han*, Long Ye*, Yanhou Geng, Impact of Molecular Weight on the Mechanical and Electrical Properties of a High-Mobility Diketopyrrolopyrrole-Based Conjugated Polymer,Macromolecules, 2020, DOI: 10.1021/acs.macromol.0c00209.
  2. Bo Zhang, Yonggao Yu, Jiadong Zhou, Zhenfeng Wang, Haoran Tang, Shenkun Xie, Zengqi Xie, Liuyong Hu, Hin-Lap Yip, Long Ye*, Harald Ade, Zhitian Liu*, Zhicai He, Chunhui Duan*, Fei Huang, and Yong Cao, 3,4‐Dicyanothiophene—a Versatile Building Block for Efficient Nonfullerene Polymer Solar Cells,Adv. Energy Mater., 2020, 10, 1904247.
  3. Tian Du, Ruiheng Gao, Yunfeng Deng*, Cheng Wang, Qian Zhou, Yanhou Geng*, Indandione-Terminated Quinoids: Facile Synthesis by Alkoxide-Mediated Rearrangement Reaction and Semiconducting Properties,Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 221.?
  4. Long Ye*, Sunsun Li, Xiaoyu Liu, Shaoqing Zhang, Masoud Ghasemi, Yuan Xiong, Jianhui Hou*, Harald Ade*, Quenching to the Percolation Threshold in Organic Solar Cells, Joule, 2019, 3, 443-458.
  5. Long Ye*, Yuan Xiong, Zheng Chen, Qianqian Zhang, Zhuping Fei, Reece Henry, Martin Heeney, Brendan T. O’Connor, Wei You*, Harald Ade*, Sequential Deposition of Organic Films with Eco-compatible Solvents Improves Performance and Enables Over 12%-Efficiency Nonfullerene Solar Cells,?Adv. Mater., 2019, 31, 1808153.?
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