從分子結構層面調控共混膜形貌,提升光伏器件性能

給受體材料間互補的吸收光譜、匹配的分子能級,以及良好的納米尺寸分離形貌是實現高效聚合物太陽能電池的關鍵。對光伏材料吸收光譜和分子能級的調控可通過許多簡單易行的分子設計策略直觀地實現;但由於活性層形貌受到諸多因素的影響,從分子結構層面實現對共混膜形貌的有效調控具有很大的挑戰性。

最近,蘇州大學李永舫院士團隊的崔超華副教授通過聚合物給體材料上的共軛側鏈工程,簡單有效地實現瞭對共混膜形貌的優化。他們將烷硫基噻吩取代的BDT單元和烷硫基苯基取代的BDT單元分別與NTDO單元共聚,設計合成瞭兩種聚合物給體材料PBNT-S和PBNP-S (如圖1)。PBNT-S和PBNP-S具有非常相似的吸收光譜和分子能級,說明BDT單元上兩種不同的共軛側基幾乎不影響聚合物的吸收光譜和能級。由於BDT單元上的噻吩基容易扭曲且具有多種構象,因此基於對稱性更好苯基取代的聚合物PBNP-S具有比PBNT-S更強的結晶性。將這兩種聚合物給體材料分別與強結晶性非富勒烯受體Y6共混制備光伏器件,PBNT-S:Y6共混膜表現出明顯過度結晶的大尺寸相分離結構,而PBNP-S:Y6共混膜則實現瞭有利於激子傳輸的納米相分離形貌。因此,基於PBNT-S:Y6器件的能量轉換效率僅為11.10%(填充因子僅為0.605),而基於PBNP-S:Y6器件的效率則高達14.31%(填充因子為0.694,如表1)。

從分子結構層面調控共混膜形貌,提升光伏器件性能

從分子結構層面調控共混膜形貌,提升光伏器件性能
圖1 (a) Chemicalstructure of PBNT-S, PBNP-S, and Y6. (b) Normalized UV-vis absorption spectraof PBNT-S and PBNP-S thin films. (c) Energy level diagrams of PBNT-S andPBNP-S. (d) TEM images of PBNT-S:Y6 and PBNP-S:Y6 blends.
從分子結構層面調控共混膜形貌,提升光伏器件性能
表1 Photovoltaic performance of the optimal PSCs based onPBNT-S:Y6 (1:1.5, w/w) and PBNP-S:Y6 (1:1.5, w/w) under the illumination of AM1.5 G at 100 mW cm-2.

結果表明,通過合理的共軛側鏈工程可從分子結構層面實現對共混膜形貌的精確調控,提升光伏器件性能。相關研究成果近日以“Conjugatedside-chains engineering of polymer donor enabling improved efficiency forpolymer solar cells”為題發表在《Journal of Materials Chemistry A》(2020,DOI:10.1039/D0TA01425G)。該論文將被收錄於2020 Journal of Materials Chemistry A Emerging Investigators Themed Issue。論文第一作者為碩士研究生范宏宇,通訊作者為崔超華副教授

論文鏈接:

https://doi.org/10.1039/D0TA01425G

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