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14.4%!华南理工研制出最高效率全聚合物太阳能电池

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本文得到了目前全聚合物体系太阳能电池最高效率14.4%,在制成300nm厚膜后仍能保持在12.1%的效率。该研究为后续全聚合物有机太阳能电池的研究提供了新受体材料的参考,并提供了光明的前景。

全聚合物有机太阳能电池拥有高效稳定性与易操作性等特点,有应用于大面积制备的可行性,在有机太阳能电池中独树一帜,然而载流子的可拆分效率逊于非富勒烯小分子有机太阳能电池致使效率差距仍较大。华南理工大学黄飞课题组通过合成一种新型聚合物受体材料PJ1,拥有1.4 eV窄带隙,1.39*105 cm-1高消光系数的特点,光谱吸收广,电荷分离快,能量损耗低。与常用给体材料PBDB-T共混成膜,获得14.4%光电转换效率,是目前报道的全聚合物有机太阳能电池最高效率,在制成300nm厚膜后仍能保持在12.1%的效率。相关论文以” 14.4% Efficiency All-Polymer Solar Cell with Broad Absorption and Low Energy Loss Enabled by a Novel Polymer Acceptor”为题于3月15日发表在Nano Energy。

论文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285520302755

14.4%!华南理工研制出最高效率全聚合物太阳能电池

研究人员在TTPBT小分子主架上利用维尔斯迈尔-哈克反应在芳环上生成甲酰化产物,并加入IC分子缩合成类Y5型小分子TTPBT-IC;随后与2,5双(三甲基锡基)噻吩进行斯蒂勒缩聚反应,通过聚合时间与温度的控制,制得三批不同分子量的PJ1(PJ1-L,PJ1-M,PJ-H),研究人员通过比较不同分子量的PJ1的材料性能与制成器件后的器件表现探究PJ1最合适的分子量,与TTPBT-IC小分子制备的器件共同比较探究两者器件的稳定性差异。

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图1:TTPBT-IC合成过程 (上);PJ1合成过程 (下)

研究发现,PJ1-H(高聚合度)在600-900nm吸收范围内显示出强吸收峰,且消光系数到达1.39*105cm-1,较TTPBT-IC的吸收峰整体红移,吸收范围更广,说明在高聚合度的PJ1分子内部有更强的分子间作用力。随着分子量的增大,PJ1的带隙也在减小,与PBDB-T带隙间距缩短,降低载流子传输损失。PBDB-T:PJ1-H溶液在加入3 vol%氯萘100℃退火10分钟后,器件最佳效率测得14.4%,开路电压0.90 eV,短路电流22.3mA cm-1,填充因子70%,表现性能均优于其余三种材料。TTPBT-IC为受体的器件在150℃退火条件下,器件效率与PJ1相比急剧降低,研究人员通过差式扫描热量法得知TTPBT-IC熔点为192℃,而PJ1高达350℃,导致其形貌热稳定性更良好。

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图2:(a).差式扫描热量法测材料熔点;(b).材料的在氯仿溶液中的UV-Vis吸收图像(c).材料在制备成薄膜后的UV-vis吸收图像(d).材料的能级

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图3: (a).器件的J-V光电特性曲线;(b)器件的外量子转换效率;(c).TTPBT-IC器件在150℃下的热稳定性J-V曲线;(d).PJ1-H在150℃下的热稳定性J-V曲线

根据2D-Giwaxs图4(a),(b)的比较,以及不同退火条件下AFM和TEM的图像比较:TTPBT-IC在成膜过程中表现出高度有序的布拉格衍射结晶化较PJ1更为明显,整体结晶性更强,退火过程中,形貌变化使得相面显著减小导致效率降低。相反从图4(g)中可以看出(010)面有强π-π堆叠表明PJ1-H的堆叠方向呈现”face-on”面,更利于电荷的垂直方向传输,电流明显提升。

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图4: (a-f)薄膜的2D-Giwaxs图像;(g)1-D切线剖面图,虚线同相方向,实线异相方向。(h-o)PBDB-T:TTPBT-IC与PBDB-T:PJ1-H的不同退火条件下的AFM与TEM图像。

总的来说,本文研究者通过合成具有窄带隙,高消光系数的新型聚合物材料PJ1,制备全聚合物PBDB-T:PJ1有机太阳能电池,探究不同分子量以及薄膜厚度对新体系的影响,得到了目前全聚合物体系太阳能电池最高效率14.4%,该研究为后续全聚合物有机太阳能电池的研究提供了新受体材料的参考,并提供了光明的前景。(文:kirin)

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