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闵杰课题组在高性能全聚合物有机太阳能电池领域取得最新研究成果
发布时间:2023-01-10 15:36  作者:  来源:高等研究院  阅读:

新闻网讯(通讯员高妍)近日,《焦耳》(Joule,影响因子:46.048)以研究性论文(ResearchArticle)的形式在线发表高等研究院闵杰教授课题组在聚合物受体材料设计开发并构筑高性能三元全聚合物体系取得的新进展。

论文题为“18.2%-efficient ternary all-polymer organic solar cells with improved stability enabled by a chlorinated guest polymer acceptor”(《氯化的聚合物受体提升三元全聚合物有机太阳能电池效率和稳定性》)。高等研究院博士研究生孙瑞、汪涛和西安交通大学特聘研究员凡群平为论文共同第一作者,闵杰教授为通讯作者,武汉大学高等研究院为第一署名单位/通讯单位。

全聚合物太阳电池(all-PSCs)是由p-型聚合物给体和n-型聚合物受体材料制备的一类有机太阳电池,不仅具有可调的光学、电化学和电子结构特性,还表现出良好的光、热和机械稳定性,在可穿戴设备、柔性可拉伸器件和光伏建筑一体化中具有良好的应用前景。因此,发展高效且稳定的all-PSCs具有重要的科学意义和商业价值。然而,由于窄带隙、强吸收的聚合物受体材料种类相对匮乏,all-PSCs的光电转换效率(PCE)滞后于聚合物:小分子的光伏体系。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。许多研究表明三元共混策略有助于拓宽光谱的捕获和实现理想的纳米共混形态,从而优化光电转换过程。

图1.三元全聚合物体系的(A)化学结构式;(B)相貌示意图及性能曲线;(C)稳定性变化曲线

基于课题组前期在聚合物受体材料设计的研究(Joule 2020, 4, 1070–1086Joule 2021, 5,1548-1565Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 10137–10146),通过端基氯化策略,合成了新型聚合物受体材料PY-2Cl(如图1A所示),其呈现出良好的吸收和较强的结晶性行为。此外,我们发现该受体材料与报道的PY-1S1Se受体材料(Sci. China Chem. 2022, 65, 309-317)在光谱上具有良好的互补性。鉴于此,我们进一步将其作为第三组份添加入本征主体系PM6:PY-1S1Se中并精细调节组份比例构筑三元体系,以提升全聚合物活性层对太阳光的捕获能力。此外,PY-2Cl和PY-1S1Se具有良好的相容性,PY-1S1Se:PY-2Cl共混膜相对于PY-1S1Se薄膜而言具有更高的电子迁移率、结晶相干长度、光致发光量子产率和增加的激子扩散长度,这有利于抑制三元共混物中的非辐射电荷复合。通过形貌的研究,PY-2Cl的引入增强了分子堆积的有序性,固化了共混物的微观结构。最终,如图1B所示,三元all-PSCs的最优PCE明显高于二元体系(16.5%和14.8%),达到了创纪录的18.2%(通过中国计量科学院第三方认证的效率为17.8%)。进一步的研究表明,得益于玻璃化转变温度的提升,三元all-PSCs相比于二元体系表现出更好的运行稳定性,在3000小时持续光照后仍保持初始效率的77.5%(图1C)。总而言之,本工作为通过分子设计和三元策略加速高性能全聚合物体系的发展开辟了广阔的前景,缩小商业化太阳能电池所需的效率和寿命要求之间的差距。

该研究得到了国家自然科学基金委和中央高校基本科研业务费的资助,并获得香港城市大学Alex K.-Y. Jen(任广禹)院士、埃尔朗根-纽伦堡大学Erdmann Spiecker教授、香港中文大学路新慧教授以及山东大学郝晓涛教授等合作者在材料和性能测试表征方面的帮助。武汉大学科研公共服务共享平台和上海同步辐射光源为此项工作的开展提供了有力的支撑。

论文连接:https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.12.007

(编辑:肖珊)

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