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湖南科大张光军副教授/刘万强教授/周虎教授 AFM:减少三元共聚物的骨架无序性实现聚合物太阳能电池19.4%的能量转换效率

湖南科大张光军副教授/刘万强教授/周虎教授 AFM:减少三元共聚物的骨架无序性实现聚合物太阳能电池19.4%的能量转换效率 高分子科技
2024-08-08
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导读:以高偶极分子作为第三组分构建三元共聚物是抑制骨架无序和提高结晶度的重要策略...
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得益于非富勒烯受体(NFAs)材料的发展和器件工艺的进步,有机太阳能电池(OSCs)的发展速度在过去几年里明显加快,其能量转换效率(PCE)已经突破了20%。然而,与NFAs的快速发展相比,与之配套的高效宽带隙(WBG)聚合物给体材料的发展却相对滞后。迄今为止,只有少数WBG聚合物给体材料(如D18, PM6及其同系物)实现了超过19%PCE。值得注意的是,D18PM6都含有合成复杂的氟取代苯并二噻吩(F-BDT)单元,增加了合成的难度和成本控制的挑战。因此,设计高效且成本低的WBG聚合物给体材料显得非常重要。其中,三元无规共聚策略是一种有效的方法。一般来说,引入第三基团将不可避免地导致熵的增加和聚合物骨架的无序性;然而,选择合适的第三基团可以增强分子间的相互作用,从而抵消骨架无序性带来的分子聚集减弱。



鉴于此,湖南科技大学化学化工学院张光军副教授刘万强教授周虎教授课题组选择了成本效益较高的氯化取代苯并二噻吩单元(Cl-BDT)作为F-BDT的替代品,并将大偶极矩和缺电子TPD基团作为第三组分加入到高性能的聚合物PM7,成功地解决了这些挑战。正如预期的那样,这种策略有效地提高了结晶度的同时,有效抑制了三元共聚物骨架的无序性,从而优化了形貌并改善了电荷的产生和传输。值得注意的是,基于PM7-TPD-10的器件在替换了10%TPD后,PCE达到了18.26%。在D18:L8-BO活性层中引入PM7-TPD-10作为第三组分,实现了19.40%PCE。这项工作表明,以高偶极分子作为第三组分构建三元共聚物是抑制骨架无序和提高结晶度的重要策略,有利于优化形貌和器件性能。

1a)本文中聚合物以及受体的结构,b)聚合物的合成路线,c)单体BDD以及TPD的偶极矩以及前线分子轨道能级


2、本文中有机给、受体材料的溶液吸收光谱(a)、薄膜吸收光谱(b)、循环伏安曲线(c)以及前线轨道能级(d


3基于不同聚合物给体材料的有机太阳能电池的J-V曲线和EQE曲线


4、薄膜的掠入射广角X射线散射图(a)以及相应的散射曲线(b


原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202408678


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