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闵杰课题组全聚合物和单组份太阳电池研究取得新进展
发布时间:2021-06-07 15:51  作者:  来源:高等研究院  阅读:

新闻网讯(通讯员高研院)6月3日,Cell Press旗下的能源旗舰期刊Joule在线发表了高等研究院闵杰研究员课题组的最新研究成果。该研究发展了一种新型的单组份共轭嵌段聚合物材料,为高效且稳定的聚合物太阳电池开发提供了新的材料体系设计思路。

论文题目为“A conjugated donor-acceptor block copolymer enables over 11% efficiency for single-component polymer solar cells” (《共轭给-受体嵌段共聚物在单组份聚合物太阳能电池获得超过11%的光电转化效率》)。高等研究院博士研究生吴瑶与郭靖为共同第一作者,闵杰研究员为通讯作者,武汉大学为第一作者单位。山东大学郝晓涛教授和浙江大学朱海明教授课题组参与了研究。

该研究发展的新型单组份共轭嵌段聚合物材料(PBDB-T-b-PYT,主链同时含有受体嵌段和给体嵌段),具有11.32%的能量转化效率(PCE),是目前单组份体系所报道的最高效率。相较于PBDB-T:PYT二元全聚合物体系,其暗态存储和光稳定性也获得了较好的提升。

近一年来,闵杰课题组在全聚合物太阳电池(All-PSCs)研究领域发表了一系列的研究工作进展。截止发稿,共在相关高水平学术期刊中(SIC一区)发表研究论文9篇,包括以武汉大学为第一单位的Joule4篇(IF=29.155),Angew. Chem. Int. Ed.1篇(IF=12.959),Adv. Energy. Mater.1篇(IF=25.245),Adv. Funct. Mater.1篇(IF=16.836),Chem. Mater.1篇(IF=9.567),Sol. RRL1篇(IF=7.527),累计引用次数82次,ESI引用前1%的高被引论文1篇。

全聚合物太阳电池(All-PSCs)是由P-型聚合物作为电子给体材料和N-型聚合物作为电子受体材料制备的新型有机太阳电池。相比较于非富勒烯小分子电池,All-PSCs通常表现出优异的光热稳定性和机械性能。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,All-PSCs的能量转化效率(PCE)一直落后于非富勒烯小分子电池,发展窄带隙的N-型聚合物是减少All-PSCs与其他类型有机太阳电池性能差距的有效策略。近年来对聚合物电子受体材料的探索,特别是小分子受体聚合物化策略的提出,使得All-PSCs在有机太阳电池领域得到复兴并极大地提升了其光电性能。

闵杰课题组率先将Y系列稠环小分子受体聚合物化,合成了聚合物受体PYT,该聚合物受体不仅具有高吸光系数1.0×105cm-1,而且其光学带隙仅为1.40 eV。通过引入聚合物PM6作为给体材料,并微调PYT的分子量来精细优化活性层形貌,从而获得了超过13.43%的PCE;另外,相较于对应的Y系列小分子体系,其稳定性也获得了明显的提升(Joule2020,4, 1070-1086;Sci. China Chem.2020,63, 1449-1460)。为了进一步提升All-PSCs的效率和稳定性,课题组通过分子设计、形貌调控、三元共混等策略出发,制备出了性能更加优异的全聚合物光伏体系(如图1所示)。

图1:课题组与合作者开发的新型聚合物受体材料及其研究成果示意图

在材料设计方面,课题组在PYT结构中引入酯基取代的噻吩单元,通过该单元的聚合比例来调控材料聚集行为,获得了13.60%的PCE(Sol. RRL2020,4, 2000409);通过引入含噻吩稠环端基异构体,课题组合成了一系列高效率的聚合物的受体材料,且活性层展现出优异的光热稳定性(Chem. Mater.2021,33, 761-773);另外,通过引入单氟和双氟取代端基,设计的聚合物受体相比于PYT能够获得更强且红移的吸收光谱,更好的分子堆积和电子迁移率,从而获得了超过15%的效率(Adv. Energy Mater.2021,11, 2003171,Aew. Chem. Int. Ed.2021,60, 10137-10146,Adv. Funct. Mater.2021, DOI:10.1002/adfm.202100791)。

在形貌调控方面,课题组在前期发展的逐层涂膜工艺基础上(Joule2020,4, 407-419),制备了基于PYT聚合物受体的伪双层结构,有效地改善了活性层形貌和载流子传输机制,从而获得了15.20%的PCE(Adv. Funct. Mater.2021,31, 2010411)。值得一提的是,在研究全聚合物太阳电池稳定性问题的过程中发现:随着活性层厚度的减小,活性层的热稳定性和其器件光热稳定性会逐渐增加。基于此发现,并结合效率、光热稳定性、合成复杂性和活性层厚度等参数,课题组提出了一种新的光伏材料评价品质因数(i-FOM2.0),为有机光伏材料提供了新的度量方式(Joule2021,5, 1209-1230)。

在三元共混策略方面,课题组将无氟取代的PYT作为第三组分引入PM6:PY2F-T主体系统中后,由于三元共混物的互补吸收和微调的微观结构,使得改善后的器件PCE高达17.32%(为全聚合物体系最高值,并且得到了中国计量研究院第三方认证效率为16.94%),且器件T80寿命(达到初始器件效率的80%所需的时间,最大功率点测试)超过2万小时。与相应的二元体系相比,三元共混体系在效率、能量损失、稳定性方面都具有明显优势(Joule2021, DOI:10.1016/j.joule.2021.04.007)。

系列工作得到了国家自然基金委、武汉大学科研启动经费以及校内自主科研项目的支持,同时也得到了北京分子科学国家研究中心、中国科学院上海有机化学研究所氟化学重点实验室和华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室等单位开放基金的支持。香港科技大学颜河教授、浙江大学朱海明和杨旸教授、山东大学郝晓涛教授等合作者在光伏材料和性能表征方面给予了支持和帮助。

闵杰课题组目前重点围绕“材料化学-形貌物理-衰减机制-器件工程”的研究链条开展目标导向性基础应用研究,解决光电领域中关键科学问题和关键技术问题,推动有机太阳电池的发展。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.05.002

课题组主页:http://jszy.whu.edu.cn/minjie1/en/index.htm

(编辑:付晓歌)

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