北理工團隊在全聚合物太陽能電池受體材料構筑方面取得重要進展
發布日期：2025-01-24 供稿：化學與化工學院 攝影：化學與化工學院
編輯：田柳 審核：王振華 閱讀次數：
近日，北京理工大學化學與化工學院王金亮教授團隊在新型聚合物受體材料創制及其在高性能全聚合物太陽能電池構筑方面取得重要進展，相關研究成果發表在材料類國際頂級期刊《 Materials Science and Engineering: R: Reports 》（影響因子IF = 31.6）上，題為“Electron-deficient fused dithieno-benzothiadiazole-bridged polymer acceptors for high-efficiency all-polymer solar cells with low energy loss”。北京理工大學為第一通訊單位，化學與化工學院王金亮教授、安橋石特別研究員、四川大學彭強教授、徐小鵬教授、華南理工大學吳宏濱教授為共同通訊作者。化學與化工學院博士生白海瑞和張恒以及四川大學博士生孟惠峰和李銀鳳為該論文的共同第一作者。
“雙碳”戰略下，綠色低碳能源的創新開發已成為研究熱點。全聚合物太陽能電池（all-polymer solar cells, all-PSCs）作為一種實用型綠色光電轉換技術，具有輕、薄、柔和易加工等諸多優點受到了廣泛關注。由于聚合物受體材料具有強分子鏈間纏繞能力與高的熱穩定性，相應的器件具有強的機械拉伸性能和穩定的活性層形貌，在柔性可穿戴便捷式電子器件領域展現出巨大的應用前景。然而由于全聚合物太陽能電池受體材料匱乏與活性層形貌敏感且難以調控，其整體效率落后于其它類型電子給受材料構筑的有機太陽能電池。因此，如何高效合成新穎聚合物受體材料和制備出高效率兼具穩定性好的全聚合物太陽能電池，是該領域目前亟待解決的關鍵科學問題之一。
圖1. 聚合物受體的分子結構和本征光電性質圖
針對上述的關鍵科學問題，王金亮教授團隊在前期重原子取代的受體材料的創制及其在高性能有機太陽能電池中的應用研究工作( Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202313016； Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 19241, ESI高被引論文; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202216340，ESI高被引論文; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202209454等)的基礎上，采用聚合小分子受體化的構筑策略，以經典的“Y系列”小分子受體作為基本主受體合成砌塊A1，分別以完全稠合的二噻吩苯并噻二唑DTBT單元以及非完全稠合的苯并噻二唑連二噻吩DT-BT作為缺電子橋接單元A2，高效合成A1-A2型聚合物受體材料PY-DTBT和PY-DT-BT，以及相應的基于富電子噻吩橋接單元的經典聚合物受體材料PY-IT（見圖1）。進而系統探究不同電子效應以及稠合程度的橋接單元對聚合物受體光電行為、分子間堆積以及相應全聚合物太陽能電池的光伏性能和能量損失的影響和內在機制。
圖2. PM6/聚合物受體共混薄膜的形貌圖
圖3. 全聚合物有機太陽能電池的性能與能量損失圖
與PY-IT相比，A1-A2型聚合物受體PY-DTBT和PY-DT-BT純膜表現出略微藍移的吸收，但吸收系數更高，能級略微下移。與聚合物受體PY-DT-BT相比，在聚合物主鏈中加入完全稠合的缺電子結構DTBT的A2橋接單元，促進了分子內電子離域，增強聚合物受體PY-DTBT的平面度，從而有助于更好的結晶度和獲得高載流子遷移率特點。PM6/PY-DTBT共混薄膜具有均勻分布的原纖維網絡形態，具有適當的相分離和更好的薄膜結晶取向，可以促進電荷的產生和提取，并在相應的全聚合物電池中實現更好的電荷遷移率平衡，抑制復合，從而提高了器件的短路電流密度 J SC和填充因子FF（見圖2）。最終，基于PM6/PY-DTBT的二元全聚合物太陽能電池獲得17.58% 的光電能量轉換效率，優于基于PM6/PY-IT與 PM6/PY-DT-BT器件效率。更重要的是，PM6/PY-DTBT的二元全聚合物太陽能電池與其他全聚物電池相比，也獲得了非常低的能量損失（0.51 eV），實現了較高的開路電壓。此外，以PY-IT作為第三組分進一步優化形貌，制備了基于PM6/(PY-DTBT90%:PY-IT10%)的三元全聚合物太陽能電池獲得了18.51%的優異光電能量轉換效率，這是報道時基于A1-A2型聚合物受體的全聚合物太陽能電池最高光電轉換效率之一（見圖3）。這項工作強調了將完全稠合的二噻吩苯并噻二唑DTBT用作缺電子橋鏈單元構筑聚合物受體材料是開發優異的A1-A2型聚合物受體的一種簡單有效的策略，這為實現全聚合物太陽能電池兼具高效率和低能量損失的特質提供了新思路。
上述研究工作得到了國家自然科學基金面上項目、國家級青年人才項目、全國博士后創新人才支持計劃、北京理工大學特立青年學者計劃、北京理工大學科技創新計劃特立學生科技創新團隊等項目以及北京市光電轉換材料重點實驗室和北京理工大學分析測試中心的支持。另外北京工商大學李熊教授團隊以及上海交通大學的劉烽教授團隊給予了大力支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mser.2024.100916
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