华南理工大学Adv. Energy Mater.：以聚合物太阳电池的大规模应用为导向的共轭聚合物设计

背逆时光 7年前 (2017-09-19) 4200浏览

【引言】

近年的研究发现，通过廉价高效的制作工艺有望实现轻质、柔性、大面积聚合物太阳电池的制备，然而由于种种因素聚合物电池从实验室走向实际应用市场仍面临挑战。为实现聚合物太阳电池规模化制备和商业化应用，需满足以下几个条件。首先，在实际光电器件的应用中，聚合物通常需满足造价低廉与高能量转化效率（PCEs）的要求。例如，从成本方面而言，基于C60富勒烯的受体相对基于C70的受体价格更低廉，但是基于C60受体的聚合物太阳电池的PCE较低，PCE基本不超过8.0%。其次，为了避免大面积加工过程中薄膜出现缺陷，高性能聚合物电池通常需要较厚的活性层。再者，绿色环保聚合物太阳电池需要使用无卤素溶剂。最后，聚合物的制备宜在较温和的加工温度下进行。然而，满足以上所有条件的聚合物十分罕见，因此需要发展新型光伏聚合物以促进聚合物电池的规模化制备和实际应用。

【成果简介】

近日，华南理工大学的黄飞教授与段春晖教授、埃因霍芬理工大学的René A. J. Janssen教授、香港中文大学的路新慧教授（共同通讯作者）等人在Advanced Energy Materials上发表最新研究成果 “Conjugated Polymers Based on Difluorobenzoxadiazole toward Practical Application of Polymer Solar Cells”。硕士生王君易是该论文的第一作者。在该文中，研究者基于二氟苯并噁二唑（ffBX）与苯并二噻吩（BDT）合成了两个半导体共轭聚合物BDT-ffBX-DT与BDT-ffBX-OD，该类聚合物能够提供高的能量转换效率，并且能在较大的活性层厚度下高效地工作。BDT-ffBX-DT与廉价的C60富勒烯基受体混合后，利用环境友好的非卤代溶剂在温和的温度下进行加工，在厚度超过250 nm的活性层中PCE可高达9.4%。该类新型光伏聚合物拥有独特的电子结构和电荷传输性能，能够在体异质结薄膜中形成纤维状连续互穿网络的相分离形貌，并显现出优异的光伏性能，是用于聚合物太阳电池大面积印刷加工的理想材料。

【图文导读】

图1聚合物结构与表征

（a）BDT-ffBX-OD、BDT-ffBX-DT分子结构式；

（b）三聚体的DFT模拟分子构型；

（c）o-DCB溶液中的聚合物与聚合物薄膜的UV-vis 吸收曲线；

（d）聚合物与[60]PCBM的能级图。

图2聚合物太阳电池性能表征

（a）聚合物：[60]PCBM太阳电池J–V曲线；

（b）太阳电池的EQE曲线；

（c）聚合物太阳电池的电流密度–光强曲线。

图3 GIWAXS图

（a）纯BDT-ffBX-OD；

（b）以o-DCB/CB为溶剂制备的BDT-ffBX-OD:[60]PCBM；

（c）以邻二甲苯为溶剂制备的BDT-ffBX-OD:[60]PCBM；

（d）纯BDT-ffBX-DT；

（e）以o-DCB/CB为溶剂制备的BDT-ffBX-DT:[60]PCBM；

（f）以邻二甲苯为溶剂制备的BDT-ffBX-DT:[60]PCBM；

（g）qz轴GIWAXS强度；

（h）qr轴GIWAXS强度。

图4聚合物TEM电镜图片

（a）以o-DCB/CB为溶剂制备的BDT-ffBX-OD:[60]PCBM TEM图；

（b）以邻二甲苯为溶剂制备的BDT-ffBX-OD:[60]PCBM TEM图；

（c）以o-DCB/CB为溶剂制备的BDT-ffBX-DT:[60]PCBM TEM图；

（d）以邻二甲苯为溶剂制备的BDT-ffBX-DT:[60]PCBM TEM图。

【小结】

在这项工作中，研究者基于ffBX经过优化电子结构、聚合物骨架、侧链长度，最终制备得到新型半导体共轭聚合物BDT-ffBX-DT与BDT-ffBX-OD，该类聚合物具有较宽的能带间隙（~1.7 eV），其能量转化效率可高达9.4%。基于该类共轭聚合物太阳电池的制备过程温和、绿色、廉价、光伏性能优异，促进了聚合物太阳电池走向大面积印刷加工和实际应用市场的发展。

文献链接：Conjugated Polymers Based on Difluorobenzoxadiazole toward Practical Application of Polymer Solar Cells(Adv. Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201702033）

本文由材料人欧洲杯线上买球 学术小组曾沙供稿。

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