氯取代兩維共軛聚合物——甲苯制備聚合物太陽能電池效率達(dá)到13.1%

【引言】

聚合物太陽能電池（ PSCs ）作為一種新興的清潔能源技術(shù)，由于其具有半透明性、柔性以及可大面積制備等優(yōu)點(diǎn)，近年來受到了廣泛關(guān)注。近三年來，n型有機(jī)半導(dǎo)體（n－OSs）作為非富勒烯（NF）受體在高性能PSCs中得到了蓬勃發(fā)展，這是因?yàn)榕c傳統(tǒng)富勒烯衍生物相比，n型有機(jī)半導(dǎo)體具有前體來源廣泛、制備成本低、吸收和能級可調(diào)、能量損失小、形貌穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。迄今為止，單結(jié)NF－PSCs的功率轉(zhuǎn)換效率（PCEs）已達(dá)到11–13％。在與寬帶隙聚合物共混時，IT－4F基PSCs顯示出高達(dá)13．1 ％的PCE。由于良好匹配的聚合物給體和n － OS受體在獲得高效PSCs中起著至關(guān)重要的作用，因此廣泛的合成變化（如原子取代、側(cè)鏈修飾和引入芳族稠環(huán)）被用于優(yōu)化高性能聚合物給體。其中原子取代，特別是氟（F）原子取代氫原子引起了人們的廣泛關(guān)注，并在分子設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用

【成果簡介】

近日，來自蘇州大學(xué)的張茂杰教授（通訊作者）團(tuán)隊在Nano Energy發(fā)文，題為“Chlorine substituted 2D－conjugated polymer for high－performance polymer solar cells with 13．1％ efficiency via toluene processing”。研究人員設(shè)計并合成了一種新的D－A型兩維共軛聚合物PM7，它含有氯化噻吩基苯并二噻吩（ BDT － 2Cl ）給體單元和苯并二噻吩－4，8－二酮受體單元。與無氯取代的對照聚合物PBDB－T相比，PM7具有較低的HOMO能級、較高的吸收系數(shù)、較強(qiáng)的結(jié)晶性和較高的載流子遷移率。此外，以PM7為給體、IT－4F為受體的光伏器件在使用非鹵溶劑甲苯做溶劑時，在獲得0．88 V的高開路電壓、20．9 mA·cm－2的短路電流密度的同時，填充因子（ FF ）為71．1 ％的，從而取得了13．1 ％的能量轉(zhuǎn)化效率（ PCE ）。而相同條件下， PBDB － T IT － 4F體系的PSC在低Voc為0．67 V的條件下僅表現(xiàn)出5．8 ％的低PCE。13．1％的PCE是迄今為止報告的非鹵溶劑制備的光伏器件能量轉(zhuǎn)化效率最高值之一。這些結(jié)果表明，氯取代是設(shè)計高性能共軛聚合物光伏材料的一種簡單有效的策略。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1． 合成示意圖

（a） PM7合成路線；

（b） 在B3LYP／6–31G＊（d， p）級DFT計算得到的HOMO和LUMO電子分布以及能級；

（c） 單體在濃度為1×10 – 5M甲苯溶液中的吸收光譜；

圖2． 分子能級結(jié)構(gòu)

（a） 分子結(jié)構(gòu)

（b） 聚合物給體和非富勒烯受體IT－4F的吸收光譜；

（c） 聚合物給體和非富勒烯受體IT－4F的分子能級圖；

圖3． 光伏性能測試

（a） 在5G光源（100?mW?cm－2）照射下的J－V曲線；

（b） PM7IT－4F共混制備的PSCs的EQE曲線；

（c） PM7IT－4F共混制備的PSCs活性層厚度與PCE的關(guān)系趨勢圖；

（d） Jph vs Veff；

（e） PM7IT－4F共混制備的PSCs中Voc隨光強(qiáng)的變化；

（f） PM7IT－4F共混制備的PSCs中Jph隨光強(qiáng)的變化；

圖4． 二維GIWAXS表征

（a）純聚合物及相關(guān)共混膜的二維GIWAXS剖面及相應(yīng)的（ b ） IP和（ c ） OOP線切；

（d）共混膜的RSoXS散射分布。

【總結(jié)】

研究人員設(shè)計合成了基于一種新的含氯的BDT－2Cl給體單元的聚合物PM7，并將其作為給體應(yīng)用于非富勒烯有機(jī)太陽能電池。與傳統(tǒng)的分子主鏈上帶有氯取代基的氯化聚合物不同，PM7在聚合物共軛側(cè)鏈上氯化，有利于減弱Cl原子在聚合物主鏈上的空間位阻效應(yīng)。與PBDB－T相比，PM7具有較低的HOMO能級、較高的吸收系數(shù)、較強(qiáng)的結(jié)晶性和較高的載流子遷移率。此外，基于PM7 IT－4F的甲苯作溶劑的光伏器件得到了Voc為0．88 V、Jsc為20．9 mA·cm － 2和FF為71．1 ％的情況下，PCE高達(dá)13．1 ％，而基于PBDB － T IT － 4F的PSC僅獲得5．3 ％的PCE。13．1 ％的PCE是迄今為止報道的非鹵溶劑制備的光伏器件的最高值之一。結(jié)果表明，氯代是設(shè)計高性能聚合物光伏材料的一種簡單、廉價、有效的策略。