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从分子结构层面调控共混膜形貌,提升光伏器件性能
高分子科学前沿 / 时间:2020-05-22 16:13:55

高分子科学前沿5月21日讯:给受体材料间互补的吸取光谱、匹配的分子能级,以及良好的纳米尺寸分离形貌是实现高效聚合物太阳能电池的关键。对光伏材料吸取光谱和分子能级的调控可通过许多简单易行的分子设计策略直观地实现;但由于活性层形貌受到诸多因素的影响,从分子结构层面实现对共混膜形貌的有效调控具有很大的挑战性。

最近,苏州大学李永舫院士团队的崔超华副教授等通过聚合物给体材料上的共轭侧链工程,简单有效地实现了对共混膜形貌的优化。他们将烷硫基噻吩取代的BDT单元和烷硫基苯基取代的BDT单元分别与NTDO单元共聚,设计合成了两种聚合物给体材料PBNT-S和PBNP-S (如图1)。PBNT-S和PBNP-S具有非常相似的吸取光谱和分子能级,说明BDT单元上两种不同的共轭侧基几乎不影响聚合物的吸取光谱和能级。由于BDT单元上的噻吩基容易扭曲且具有多种构象,因此基于对称性更好苯基取代的聚合物PBNP-S具有比PBNT-S更强的结晶性。将这两种聚合物给体材料分别与强结晶性非富勒烯受体Y6共混制备光伏器件,PBNT-S:Y6共混膜表现出明显过度结晶的大尺寸相分离结构,而PBNP-S:Y6共混膜则实现了有利于激子传输的纳米相分离形貌。因此,基于PBNT-S:Y6器件的能量转换效率仅为11.10%(填充因子仅为0.605),而基于PBNP-S:Y6器件的效率则高达14.31%(填充因子为0.694,如表1)。

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图1 (a) Chemicalstructure of PBNT-S, PBNP-S, and Y6. (b) Normalized UV-vis absorption spectraof PBNT-S and PBNP-S thin films. (c) Energy level diagrams of PBNT-S andPBNP-S. (d) TEM images of PBNT-S:Y6 and PBNP-S:Y6 blends.

表1 Photovoltaic performance of the optimal PSCs based onPBNT-S:Y6 (1:1.5, w/w) and PBNP-S:Y6 (1:1.5, w/w) under the illumination of AM1.5 G at 100 mW cm-2.

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结果表明,通过合理的共轭侧链工程可从分子结构层面实现对共混膜形貌的精确调控,提升光伏器件性能。相关研究成果近日以“Conjugatedside-chains engineering of polymer donor enabling improved efficiency forpolymer solar cells”为题发表在《Journal of Materials Chemistry A》(2020,DOI:10.1039/D0TA01425G)。该论文将被收录于2020 Journal of Materials Chemistry A Emerging Investigators Themed Issue。论文第一编辑为硕士研究生范宏宇,通讯编辑为崔超华副教授。


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