北理工王金亮&安桥石团队ACS Energy Lett.:新型无规三元共聚物给体，效率18.28%！

1

前言回顾

有机太阳能电池（OSCs）活性层中包含给体和受体材料，由于其灵活性、半透明性、重量轻以及低成本商业化制造等巨大潜力而受到了广泛关注。得益于共轭聚合物给体、非富勒烯受体（NFAs）的开发，以及器件工程的优化，使得OSCs的光电转换效率（PCE）提高到19%以上。目前，对于共轭聚合物给体材料的设计多采用交替给电子（D）和缺电子（A）构建单元。然而，与许多NFAs相比，高性能D-A共轭聚合物给体仍然稀缺。此外，聚合物结构和器件性能之间的构效关系需要进一步揭示。一些经典的二元高性能聚合物给体有时器件性能对其分子量较为敏感。因此，开发能够在宽分子量范围内获得高性能的聚合物给体非常重要。

研究证明，开发无规型共轭三元共聚物是提高光伏性能的有效方法。通过控制第三组分的比例，可以有效地调节目标三元共聚物的光电性质，如能级、吸收光谱、聚集和结晶性。但通过加入两种尺寸和形状完全不同的给电子单体或缺电子单体，无规共聚产生具有随机序列分布的不规则聚合物主链。这种非常随机的聚合物骨架序列往往会造成相应共轭主链的无序分子间堆叠，这可能对电荷传输产生不良影响。为了克服这个问题，通过选择具有相同或相似骨架但不同官能团的三种单体中的两种合成三元共聚物，不仅可以减少由无规共聚形成的分子无序堆积，而且可以保持无规三元共聚物具有优化的光电性能和更有利的形态。

图1. 分子结构与基本性质

2

文献简介

为了减少结构差异和随机聚合效应，近日，北京理工大学王金亮教授、安桥石特别研究员团队通过无规共聚合成了一系列D1–A–D2–A型共轭三元聚合物（D18–20%Cl和D18–40%Cl），其中两种结构相似的给电子单体的摩尔比不同，而DTBT结构作为缺电子单元。此外，给电子单元D1（BDT-F）和给电子单元D2（BDT-Cl）具有相同的骨架结构，但仅在共轭侧单元上的卤化原子不同。随着BDT-Cl单体比例的增加，与常见的聚合物给体D18相比，三元共聚物D18–20%Cl、D18–40%Cl和D18-Cl显示出逐渐下移的能级，这可能使得相应器件获得更大的开路电压（VOC）。根据密度泛函理论（DFT）计算和分子动力学（MD）模拟，新型三元共聚物给体D18–20%Cl与受体具有更强的分子间电场和更高的堆积密度。此外，D18–20%Cl纯膜显示出明显强烈的π–π堆积，与其它聚合物相比，晶体尺寸明显更大，这表明BDT-F和BDT-Cl的类似骨架结构的无规共聚可以诱导更有利的分子间堆积。

图2.器件的光伏性能比较

研究结果显示，基于D18–20%Cl:Y6共混膜显示了适当的聚集和相分离、理想的表面结晶度以及均匀分布的纤维状互穿网络形态，这有助于平衡和增强空穴/电子迁移率以及弱电荷复合，并且与其它聚合物相比，相应器件的填充因子（FF）增加。因此，基于D18–20%Cl:Y6的OSCs器件获得了18.28%的最佳PCE，优于基于D18:Y6、D18-40%Cl:Y6和D18-Cl:Y6器件效率，同时VOC为0.861 V，短路电流密度（JSC）为27.20 mA cm−2，FF高达78.06%。值得注意的是，18.28%的PCE是迄今为止基于三元共聚物的二元OSCs的器件效率最高值之一。更重要的是，所开发的三元共聚物D18–20%Cl在56.0至103.4 kDa之间的大范围数均分子量（Mn）中都可以获得17%以上的PCE，这表明这种新型三元共聚物具有优异的效率可重复性和多批次合成。这些结果表明，选择DTBT作为缺电子部分，并使用具有不同卤化原子的适当类似骨架结构作为两个给电子部分，从而实现高效的D1–A–D2–A型三元共聚物给体，具有优异的批次重复性。

图3.电荷动力学测试

3

文献总结

综上，该工作开发了一种新型D1–A–D2–A型三元共聚物给体的有效方法，其不仅具有良好的批次间再现性，而且器件性能优异。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《ACS Energy Letters》上，题为“A Random Terpolymer Donor with Similar Monomers Enables 18.28% Efficiency Binary Organic Solar Cells with Well Polymer Batch Reproducibility”。论文的第一作者为北京理工大学博士研究生白海瑞。实验中所使用的“BDT-F”等材料购买自“南京知研科技有限公司”。

本文关键词：有机太阳能电池，三元共聚物，电荷传输，批次重复性。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！