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闵杰教授课题组在《先进材料》连续发表论文
在低成本聚合物给体材料和高性能聚合物受体材料设计开发领域取得新成果
发布时间:2022-11-24 17:23  作者:  来源:高等研究院  阅读:

新闻网讯(通讯员高妍)11月23日,Advanced Materials(《先进材料》)在线发表高等研究院闵杰教授课题组的两篇论文,介绍其在低成本聚合物给体材料和高性能聚合物受体材料设计开发方面的新成果。

论文题目分别为“A Versatile and Low-Cost Polymer Donor Based on 4-Chlorothiazole for Highly Efficient Polymer Solar Cells”(《基于4-氯噻唑的多功能、低成本聚合物给体材料用于高效聚合物太阳电池》)和“Ternary All-Polymer Solar Cells with Efficiency up to 18.14% Employing a Two-Step Sequential Deposition”(《采用逐层沉积技术实现三元全聚合物太阳电池效率高达18.14%》)。前者高等研究院博士生邵一鸣和硕士生高远为共同第一作者,后者高等研究院博士生杨欣荣和孙瑞为共同第一作者,两篇论文闵杰均为通讯作者,武汉大学高等研究院均为第一署名单位/通讯单位。

由于聚合物太阳电池(PSCs)具有重量轻、可溶液制备、灵活性、可穿戴性和半透明等优点,近年来取得了快速发展,成为最有前途的光伏技术之一。得益于窄带隙小分子受体(SMAs)特别是“Y”系列受体材料的出现, PSCs的能量转换效率(PCE)得到了迅速提高,目前已经超过19%。值得一提的是,该效率的提升也归因于高效聚合物给体材料的开发, 如PBDB-TF和D18。然而,高效、易合成、普适性好的聚合物给体材料仍然稀缺。因此,开发具有简单结构的通用型高效聚合物给体材料,以进一步提升PSC器件性能及其商业化潜力势在必行。

闵杰课题组设计了一种基于4-氯噻唑单元的低成本、易合成的聚合物给体材料PBTTz3Cl,并将其各类高效SMAs进行组合优化器件性能(图1所示)。与小分子受体L8-BO共混后,基于PBTTz3Cl:L8-BO的器件效率为18.38%;进一步引入小分子受体BTP-eC9作为第三组分加入到PBTTz3Cl:L8-BO体系汇总,所制备而成的三元器件实现了19.12%的效率,是迄今为止报告的单结器件最高值之一。研究还发现PBTTz3Cl是一种通用的聚合物给体,可以与各类小分子受体材料进行搭配,并制备出高效的PSCs。总之,这项工作提供了一种低成本缺电子单元的新设计结构,可用于构建高度通用的高性能聚合物给体材料。

图1.基于PBTTz3Cl和多种SMAs材料制备器件的效率情况

同日,《先进材料》(Advanced Materials)也在线发表了闵杰课题组在聚合物受体材料设计方面的研究进展。相比较于上述基于小分子受体的PSCs,基于聚合物受体的全聚合物太阳电池(all-PSCs)在热稳定性和机械稳定性方面具有明显的优势,引起了业内的广泛研究。然而,目前all-PSCs的器件效率明显落后于基于小分子受体的PSCs。开发聚合物受体新材料和探索活性层形貌调控新方法是进一步提升all-PSCs性能最为重要的策略。

图2.LbL处理的二元、三元器件活性层示意图及其相应的J-V曲线

基于课题组前期在聚合物受体材料设计的研究(Joule 2020, 4, 1070–1086;Joule 2021, 5,1548-1565),作者在本工作中对受体中心核进行硒原子取代,合成了PY-SSe-V;通过端基氯化策略,合成了PY-Cl。进一步,作者采用逐层沉积(LbL)技术,将新开发的聚合物受体与聚合物给体PM6搭配,构筑了高效的二元all-PSCs,基于PM6/PY-SSe-V和PM6/PY-Cl的PCEs分别为17.03%和16.37%。然而,基于LbL工艺制备的PM6/PY-SSe-V活性层展现出类异质结形貌,而PM6/PY-Cl活性层表现为明显的伪双层形貌。为了进一步优化PM6/PY-SSe-V活性层形貌,作者将结晶性更强的PY-Cl引入到PM6/PY-SSe-V体系中。与PM6/PY-SSe-V二元体系相比,PM6/(PY-SSe-V:PY-Cl)三元体系的垂直相分布和分子堆积得到了明显改善,从而获得了18.14%的PCE,这是迄今为止报告的all-PSCs的最高值。总之,本工作通过在LbL处理的高效全聚合物体系中引入强结晶性的聚合物受体材料,优化了活性层垂直相分离形貌,为获得高效all-PSCs提供了一种简单有效的LbL型三元策略。

该研究得到国家自然科学基金委和中央高校基本科研业务费的支持。

论文1链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202208750

论文2链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202209350

(编辑:肖珊)

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