王二刚&朱卫国团队Nano energy：三元无规共聚物做为第三组分的双给体三元聚合物太阳能电池效率达到18.27%- 大数跨境

首页

王二刚&朱卫国团队Nano energy：三元无规共聚物做为第三组分的双给体三元聚合物太阳能电池效率达到18.27%

科学材料站

2021-11-12

导读：本文通过将氯和烷基甲硅烷基取代的苯并二噻吩单元插入到聚合物PM6 中，构建了三元无规共聚物 PM6-Si30。

文章信息

王二刚&Thomas D. Anthopoulos&朱卫国团队Nano energy：无规共聚物制备的双给体三元聚合物太阳能电池效率达到18.27%

第一作者：彭文红

通讯作者：林源宝*，朱卫国*，Thomas D. Anthopoulos*，王二刚*

单位：湖南工程学院，工大学，阿卜杜拉国王科技大学，常州大学

研究背景

近年来，“三元共混”策略在提高有机太阳能电池（Organic Solar Cells，OSCs）性能方面已展露出很大的潜力，成为有机光伏领域的研究热点。

基于共轭聚合物给体和高效非富勒烯受体Y6体系的三元OSCs光伏效率已超过18%，并证实了成功的三元体系中添加的第三组分应与主体二元混合物中的给体或受体具有良好的相容性，以形成优化的活性层形态。

但大多数这样的三元体系是基于两个兼容的受体(D:A1:A2)，对于两个兼容的给体 (D1:D2:A) 三元体系，由于缺乏合适的聚合物供体而很少被研究。

文章简介

基于此，查尔姆斯理工大学王二刚、阿卜杜拉国王科技大学Thomas D. Anthopoulos、林源宝以及常州大学朱卫国等人展开合作，在前期对具有兼容性的双给体三元OSCs研究基础上(Chem. Mater. 2021, 33, 7254−7262)，通过将氯和烷基甲硅烷基取代的苯并二噻吩 (BDT) 单元插入到聚合物PM6 中，构建了三元无规共聚物 PM6-Si30。

该三元共聚物表现出更深的最高占据分子轨道，与PM6和BTP-eC9均有良好的混溶性，使其能够用作OSC的 PM6:PM6-Si30:BTP-eC9 本体异质结的第三组分。

图1. 化学结构、吸收光谱、能级排布和接触角测试

图2. 器件结构示意图和相关器件的光伏参5

研究发现，PM6-Si30与PM6具有相似的化学结构、互补的吸收光谱，以及良好的相容性，这有利于微调光子收集和三元共混膜的形貌，从而同时提高短路电流密度（JSC）和填充因子（FF）。

此外，PM6-Si30的最高占据分子轨道（HOMO）能级略低于PM6，与基于PM6的二元OSC相比，三元OSC的非辐射能量损失更低，从而导致更高的开路电压（VOC）。由于这些协同效应，所得PM6:PM6-Si30:BTP-eC9（0.85:0.15:1.2）电池的最大光电转换效率 (PCE) 为18.27%，高于优化控制二组分PM6:C9的OSC (17.38%)。PM6:PM6-Si30:BTP-eC9 电池的性能增强归因于改进的电荷传输、有利的分子排列、减少的能量损失和抑制双分子重组。

重要的是，将 PM6-Si30 添加到二元 PM6:C9 混合物中不仅可以提高光伏性能，而且还具有改善的热稳定性和光稳定性。此项工作展示了如何利用与主体供体聚合物结构相似的三元共聚物来提高三元 OSC 的性能，证明了无规三元共聚物作为OSC中第三组分的潜力，并突出了构建具有改进光伏性能的三元系统的新策略。

相关研究成果以“Over 18% Ternary Polymer Solar Cells Enabled By A Terpolymer as The Third Component”为题在国际期刊《Nano Energy》(影响因子17.881)上发表。

本文要点

“三元共混”和“随机三元聚合”策略的结合

“三元共混”和“随机三元聚合”策略均已被证明可有效提高OSCs的性能。然而，关于结合这两种策略的报道仍然很少。

本项工作通过将第三种单体引入主体供体聚合物 (D1) 的主链中合成的无规三元共聚物，为开发客体供体聚合物 (D2) 作为三元 (D1:D2:A) OSC 的第三组分提供了一种有前景的策略。

这种类型的三元共聚物可以在结构上与主体聚合物给体成分相似，使它们自然兼容，同时客体三元共聚物的吸收光谱、能级、聚集行为、与主体之间的相容性程度也可以通过合理选择第三单体及调节单体比例进行优化。这些优势特点使三元共聚物非常适合用作三元 OSCs 中的第三组分。

文章链接

Over 18% Ternary Polymer Solar Cells Enabled By A Terpolymer as The Third Component

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106681

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521009320#!5

通讯作者简介

王二刚教授

瑞典查尔姆斯理工大学(Chalmers University of Technology)教授。2003年在郑州大学获得学士学位，2008 年在华南理工大学获材料学工学博士学位。其博士论文被评为全国百篇优秀博士论文提名奖。2008 —2011 年，赴查尔姆斯理工大学从事博士后研究工作。并在2012 年被任命为该校助理教授，2016年提升为副教授，2019年升为教授。2016-2017年获居里夫人学者基金资助赴加州大学圣巴巴拉分校访问一年。2017年获Wallenberg Academy Fellow。近年来共获得欧盟，瑞典科学基金委，瓦伦堡基金会等超过5000万瑞典克朗的研究基金。与中国合作紧密，接受多名中国访问学者学生。已发表论文160 多篇，包括Joule, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Energy&Environ. Sci., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Func. Mater.等刊物。研究课题主要是共轭材料及石墨烯的合成以及该材料在太阳能电池，有机发光二极管以及超级电容器中的应用。

课题组主页

https://www.chalmers.se/en/staff/Pages/ergang.aspx

朱卫国教授博士生导师国务院特殊津贴专家

江苏省“双创计划”高层次人才，省杰出青年基金获得者，宝钢优秀教师奖获得者，省优秀博士/硕士论文指导教师。2000年获有机化学理学博士学位(四川大学)，2002年师丛曹镛院士在华南理工大学材料科学与工程学院光电所完成博士后研究工作，2006在英国Sheffield大学访问学习一年。现为常州大学材料科学与工程学院院长、有机光电热能量转换材料与应用江苏省工程实验室主任，材料科学与工程一级学科博士点方向负责人。主要从事有机高分子光电子功能材料及其器件研究，以署名第一或通讯联系人在Journal of the American Chemical Society, Nature Communications，Nature Photonics，Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials, Advanced Energy Materials等国内外重要学术刊物上发表SCI学术论文150余篇。课题组介绍: http://zwg.cczu.edu.cn/。

林源宝博士

林源宝，博后，牛津大学。2018年在暨南大学获得硕士学位，导师为侯林涛教授。2021年在阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)获材料科学于工程博士学位, 导师为Thomas D. Anthopoulos (H-index: 79)。目前在牛津大学Iain McCulloch (H-index: 107) 课题组进行博士后研究。主要进行有机太阳能电池的界面层，光敏活性层的掺杂，以及大面积印刷有机太阳池等方面的研究。以署名第一或通讯联系人在Advanced Materials, Advanced Energy Materials，ACS Energy Letter, Advanced Science, Nano Energy, Journal of Materials Chemistry A, Solar RRL, Chemistry of Materials, ChemSusChem等国外重要学术刊物上发表SCI学术论文10余篇。Anthopoulos教授课题组介绍: https://lama.kaust.edu.sa/。