氯取代两维共轭聚合物——甲苯制备聚合物太阳能电池效率达到13.1%

【引言】

聚合物太阳能电池( PSCs )作为一种新兴的清洁能源技术，由于其具有半透明性、柔性以及可大面积制备等优点，近年来受到了广泛关注。近三年来，n型有机半导体(n-OSs)作为非富勒烯(NF)受体在高性能PSCs中得到了蓬勃发展，这是因为与传统富勒烯衍生物相比，n型有机半导体具有前体来源广泛、制备成本低、吸收和能级可调、能量损失小、形貌稳定性高等优点。迄今为止，单结NF-PSCs的功率转换效率(PCEs)已达到11–13%。在与宽带隙聚合物共混时，IT-4F基PSCs显示出高达13.1 %的PCE。由于良好匹配的聚合物给体和n - OS受体在获得高效PSCs中起着至关重要的作用，因此广泛的合成变化(如原子取代、侧链修饰和引入芳族稠环)被用于优化高性能聚合物给体。其中原子取代，特别是氟(F)原子取代氢原子引起了人们的广泛关注，并在分子设计中得到了广泛的应用

【成果简介】

近日，来自苏州大学的张茂杰教授(通讯作者)团队在Nano Energy发文，题为：“Chlorine substituted 2D-conjugated polymer for high-performance polymer solar cells with 13.1% efficiency via toluene processing”。研究人员设计并合成了一种新的D-A型两维共轭聚合物PM7，它含有氯化噻吩基苯并二噻吩( BDT - 2Cl )给体单元和苯并二噻吩-4，8-二酮受体单元。与无氯取代的对照聚合物PBDB-T相比，PM7具有较低的HOMO能级、较高的吸收系数、较强的结晶性和较高的载流子迁移率。此外，以PM7为给体、IT-4F为受体的光伏器件在使用非卤溶剂甲苯做溶剂时，在获得0.88 V的高开路电压、20.9 mA·cm-2的短路电流密度的同时，填充因子( FF )为71.1 %的，从而取得了13.1 %的能量转化效率( PCE )。而相同条件下， PBDB - T ： IT - 4F体系的PSC在低Voc为0.67 V的条件下仅表现出5.8 %的低PCE。13.1%的PCE是迄今为止报告的非卤溶剂制备的光伏器件能量转化效率最高值之一。这些结果表明，氯取代是设计高性能共轭聚合物光伏材料的一种简单有效的策略。

【图文导读】

图1. 合成示意图

(a) PM7合成路线;

(b) 在B3LYP/6–31G*(d， p)级DFT计算得到的HOMO和LUMO电子分布以及能级;

(c) 单体在浓度为1×10 – 5M甲苯溶液中的吸收光谱;

图2. 分子能级结构

(a) 分子结构

(b) 聚合物给体和非富勒烯受体IT-4F的吸收光谱;

(c) 聚合物给体和非富勒烯受体IT-4F的分子能级图;

图3. 光伏性能测试

(a) 在5G光源(100 mW cm-2)照射下的J-V曲线;

(b) PM7：IT-4F共混制备的PSCs的EQE曲线;

(c) PM7：IT-4F共混制备的PSCs活性层厚度与PCE的关系趋势图;

(d) Jph vs Veff;

(e) PM7：IT-4F共混制备的PSCs中Voc随光强的变化;

(f) PM7：IT-4F共混制备的PSCs中Jph随光强的变化;

图4. 二维GIWAXS表征

(a)纯聚合物及相关共混膜的二维GIWAXS剖面及相应的( b ) IP和( c ) OOP线切;

(d)共混膜的RSoXS散射分布。

【总结】

研究人员设计合成了基于一种新的含氯的BDT-2Cl给体单元的聚合物PM7，并将其作为给体应用于非富勒烯有机太阳能电池。与传统的分子主链上带有氯取代基的氯化聚合物不同，PM7在聚合物共轭侧链上氯化，有利于减弱Cl原子在聚合物主链上的空间位阻效应。与PBDB-T相比，PM7具有较低的HOMO能级、较高的吸收系数、较强的结晶性和较高的载流子迁移率。此外，基于PM7： IT-4F的甲苯作溶剂的光伏器件得到了Voc为0.88 V、Jsc为20.9 mA·cm - 2和FF为71.1 %的情况下，PCE高达13.1 %，而基于PBDB - T ： IT - 4F的PSC仅获得5.3 %的PCE。13.1 %的PCE是迄今为止报道的非卤溶剂制备的光伏器件的最高值之一。结果表明，氯代是设计高性能聚合物光伏材料的一种简单、廉价、有效的策略。