Joule: 高效聚噻吩:非富勒烯有机太阳能电池

金也 5年前 (2020-06-06) 7433浏览

【研究背景】

近年来有机太阳能电池取得快速发展，能量转换效率已突破18%，接近商业化水平。这些高效光伏体系大都以给受体型共轭聚合物作为给体材料，尽管获得了理想的器件性能，但是这类聚合物大都存在合成过程复杂、难以宏量制备等问题，大幅增加了材料的制备成本，严重制约了该类材料的实用化。与之相反，聚噻吩及其衍生物是一类典型的低成本、易宏量合成的有机半导体材料因而受到广泛关注。但是由于聚噻吩类材料通常具有较高的结晶性，使得给受体共混薄膜的相分离结构更为复杂，目前基于聚噻吩:非富勒烯共混体系的器件效率最高只有~12%。因此，深入理解这类结晶性体系的相分离结构，建立系统全面的分子结构-薄膜相态-器件性能之间的关系对聚噻吩体系进一步的优化和发展具有重要意义。

【成果简介】

近日，天津大学材料科学与工程学院耿延候教授、叶龙教授团队以目前高效的聚噻吩:非富勒烯体系即PDCBT-Cl:ITIC-Th1为研究对象，同时通过改变受体材料的末端基团和中间单元，选择了另外四个代表性的非富勒烯受体材料（ITIC、 IT4F、IDIC、Y6），从共混热力学和成膜动力学两方面对聚噻吩:非富勒烯体系进行了系统的相形态研究。其中PDCBT-Cl与ITIC-Th1具有合适的相容性，且共混薄膜表现出较高的分子有序性，通过精确的后处理调控可使共混薄膜中混合相组成锁定在渗透阈值附近，从而获得了超过12%的器件效率。而PDCBT-Cl与Y6则高度相容，共混体系处于单相态，严重破坏了给体材料的有序堆积，器件效率只有0.5%。基于对上述五种共混体系的系统研究，文章最后也为高效聚噻吩体系的分子设计及器件优化提出了一些可行方案。这项工作为高效低成本有机太阳能电池的进一步发展提供了有效指导。相关结果以“Optimization Requirements of Efficient Polythiophene:Nonfullerene Organic Solar Cells”为题发表在Joule上。

【图文简介】

图1. 聚噻吩衍生物PDCBT-Cl与五种代表性非富勒烯受体材料化学结构式

 

图2. PDCBT-Cl:非富勒烯共混体系光伏性能表征

（A） 优化条件下器件的电流密度-电压（J-V）特性曲线；

（B） 优化条件下器件的EQE曲线。

图3. PDCBT-Cl:非富勒烯体系共混薄膜分子有序性及结晶结构表征

（A-E）共混薄膜二维X射线衍射图 （F）共混薄膜一维X射线衍射图

图4. 优化条件下PDCBT-Cl:非富勒烯体系共混薄膜微观结构表征

（A）共混薄膜一维共振软X射线散射图；

（B）共混薄膜相区纯度及相区尺寸

图5. 熔点降低法测试PDCBT-Cl与不同受体材料在熔点温度下的χaa参数

图6. PDCBT-Cl:非富勒烯共混体系动力学淬灭

(a)不同退火时间下共混体系相纯度变化; (b)器件性能与溶剂退火时间的关系

图7. PDCBT-Cl:非富勒烯体系薄膜相态与光伏性能之间的关系

（A）PDCBT-Cl与不同受体材料共混体系χ-ϕ相图

（B）优化后的PDCBT Cl:ITIC-Th1及PM6:Y6体系光伏器件J-V曲线。虚线表示当PDCBT-Cl:ITIC-Th1体系最大EQE值与PM6:Y6体系相同时所能达到的器件性能。

【小结】

这项工作从共混热力学及成膜动力学两方面对聚噻吩体系分子结构-薄膜相态-器件性能之间的关系进行了系统研究，并获得了初步结论。给受体材料的相容性及分子有序性对聚噻吩:非富勒烯体系薄膜形貌及器件性能有重要影响。非富勒烯受体材料需要与聚噻吩给体材料在热力学上匹配，高度相容的体系难以获得高的器件性能。文章最后也为高效聚噻吩体系的分子设计提出了一些可行方案。同时本文强调采用物理参数如无定型-无定型相互作用参数χaa、结晶-无定型相互作用参数χca等可以为聚噻吩体系给受体材料搭配提供有效指导。

文献链接：Optimization Requirements of Efficient Polythiophene:Nonfullerene Organic Solar Cells, 2020, Joule, DOI:10.1016/j.joule.2020.04.014.

团队介绍：

耿延候 http://tjmos.tju.edu.cn/gyh/index.htm

叶龙 https://www.x-mol.com/groups/long-ye

李淼淼 http://tjmos.tju.edu.cn/info/1316/1918.htm

团队近期成果

  1. Dandan Pei, Zhongli Wang, Zhongxiang Peng, Jidong Zhang, Yunfeng Deng, Yang Han*, Long Ye*, Yanhou Geng, Impact of Molecular Weight on the Mechanical and Electrical Properties of a High-Mobility Diketopyrrolopyrrole-Based Conjugated Polymer,Macromolecules, 2020, DOI: 10.1021/acs.macromol.0c00209.
  2. Bo Zhang, Yonggao Yu, Jiadong Zhou, Zhenfeng Wang, Haoran Tang, Shenkun Xie, Zengqi Xie, Liuyong Hu, Hin-Lap Yip, Long Ye*, Harald Ade, Zhitian Liu*, Zhicai He, Chunhui Duan*, Fei Huang, and Yong Cao, 3,4‐Dicyanothiophene—a Versatile Building Block for Efficient Nonfullerene Polymer Solar Cells,Adv. Energy Mater., 2020, 10, 1904247.
  3. Tian Du, Ruiheng Gao, Yunfeng Deng*, Cheng Wang, Qian Zhou, Yanhou Geng*, Indandione-Terminated Quinoids: Facile Synthesis by Alkoxide-Mediated Rearrangement Reaction and Semiconducting Properties,Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 221. 
  4. Long Ye*, Sunsun Li, Xiaoyu Liu, Shaoqing Zhang, Masoud Ghasemi, Yuan Xiong, Jianhui Hou*, Harald Ade*, Quenching to the Percolation Threshold in Organic Solar Cells, Joule, 2019, 3, 443-458.
  5. Long Ye*, Yuan Xiong, Zheng Chen, Qianqian Zhang, Zhuping Fei, Reece Henry, Martin Heeney, Brendan T. O’Connor, Wei You*, Harald Ade*, Sequential Deposition of Organic Films with Eco-compatible Solvents Improves Performance and Enables Over 12%-Efficiency Nonfullerene Solar Cells, Adv. Mater., 2019, 31, 1808153. 
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