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四川大学彭强教授课题组《Adv. Mater.》:基于P3HT的高性能非富勒烯有机太阳能电池上取得进展
2019-11-21  来源:高分子科技

  近年来,以非富勒烯受体材料制备的聚合物有机太阳能电池备受关注,光电转换效率显著提高。与传统富勒烯受体制备的聚合物有机太阳能电池相比,非富勒烯聚合物有机太阳能电池的巨大成功源于其具有非常强的吸收、容易调控的分子能级、优良的形貌稳定性等优势。随着新材料的不断开发,光电转换效率的不断提升已经习以为常。但是,就其未来实际应用而言,繁琐严苛的合成步骤、较低的产率以及严重的批次差异使得其低成本大面积制备仍面临着巨大挑战。与此同时,对环境有害的有毒性中间体(如有机锡中间体)的使用也与绿色能源的目标背道而驰。因此,研究如何实现低成本、大面积、环境友好地制备高性能非富勒烯聚合物有机太阳能电池至关重要。

  就聚合物给体材料而言,聚三己基噻吩(P3HT)是最容易低成本大量生产且批次差异可控的聚合物材料之一。因此,P3HT是非常适合商业化生产的聚合物给体材料。尽管科研工作者对P3HT进行了广泛研究,其光电转换效率仍不足8%。而且上述效率的实现常常依赖含卤溶剂以及添加剂对其形貌进行调控。含卤溶剂及添加剂不利于人们身体健康并破坏生态环境。此外,热退火工艺也被广泛用于P3HT形貌的调控。热退火增加了能耗和制备工艺复杂性,进而增加了制造成本。

图1.(a)P3HT与TrBTIC的化学结构;(b)P3HT:TrBTIC聚集随溶液老化时间变化示意图;(c)TrBTIC在TMB中的紫外-可见吸收光谱;(d)不同溶液老化时间制备的P3HT和TrBTIC薄膜的的紫外-可见吸收光谱;不同溶液老化时间制备的P3HT:TrBTIC共混薄膜的的紫外-可见吸收光谱。

  针对上述问题,四川大学彭强教授团队以三聚茚(truxene)为核,苯并噻二唑-氰基茚满二酮缺电基团作为端基,合成了全新小分子受体TrBTIC,与P3HT共混,制备了高性能非富勒烯聚合物有机太阳能电池。TrBTIC具有1.80 eV的光学带隙以及-5.56/-3.62 eV的最高占据轨道/最低空轨道(HOMO/LUMO)能级,与P3HT形成较好地吸收互补和能级匹配。在器件制备过程中,他们发现,P3HT能够在热(60 )的1,2,4-三甲苯(TMB)中很好地溶解,但是室温条件下P3HT会缓慢地聚集。利用这一特性,该团队通过调节溶剂在室温下的老化时间,控制P3HT:TrBTIC在溶液中的预聚集。当溶剂老化40分钟后,活性层获得了最优化的相分离形貌,光电转换效率从6.62%显著提升至8.25%,成为目前基于P3HT的有机太阳能电池光电转换效率的新纪录。该方法使用了绿色溶剂,而且无须添加剂和任何后处理工艺,这种简单高效的制备方法有利于未来的商业化生产,为低成本、高性能的非富勒烯有机太阳能电池的形貌调控和性能提升提供了新的解决思路。

图2.不同溶剂老化时间制备的P3HT:TrBTIC器件的(a)电流密度-电压曲线和(b)外量子效率曲线;(c)基于P3HT的聚合物太阳能电池的光电转化效率-开路电压关系对比;(d)基于P3HT的聚合物太阳能电池的短路电流密度-开路电压关系对比。

  该成果于近期发表在Advanced Materials(Adv. Mater. 2019, 1906045)上。论文的第一作者为四川大学化学学院博士毕业生徐小鹏,目前在香港科技大学颜河教授课题组做博士后研究。通信作者为彭强教授,共同通信作者为于立扬副研究员

  论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201906045

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