华南理工大学段春晖教授课题组JMCA:给体聚合物中引入3, 4-二氰基噻吩降低有机太阳电池的能量损失


近年来,有机太阳电池(OSCs)发展迅速,其能量转换效率(PCE)已超过18%,但仍落后于硅基和钙钛矿太阳电池。这主要是因为有机太阳电池中存在较大的能量损失,特别是非辐射复合能量损失。因此,探索降低非辐射复合能量损失的新方法具有重要的研究意义。

近日,华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室段春晖教授课题组联合武汉工程大学刘治田教授高翔副教授、天津大学叶龙教授、华南理工大学吴宏滨教授Journal of Materials Chemistry A上发表最新研究成果 “Ternary copolymers containing 3,4-dicyanothiophene for efficient organic solar cells with reduced energy loss”。 华南理工大学的博士生张月为该论文的第一作者。在该课题组前期工作基础上(Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1904247),该工作将结构简单、具有强吸电子能力的3,4-二氰基噻吩(DCT)单元引入到聚合物给体PBDB-TF的骨架中,通过三元共聚的方法合成了具有不同DCT含量的给体聚合物PFBCNTx(图1)。DCT的引入能够降低给体聚合物的HOMO能级(图2c),提高器件的开路电压(Voc)。该方法与常用的引入F原子降低聚合物给体HOMO能级的方法相比,具有合成简单、不需要使用危险试剂的优势。将这些聚合物给体分别与光谱互补的Y6-BO受体进行搭配(图2a, b),通过器件加工方法的优化,基于PFBCNT20:Y6-BO:PC71BM的三元OSCs具有高的PCE(16.6%)和低的非辐射复合能量损失(0.22 eV)。该研究结果表明,利用DCT单元作为第三组分,是合成高性能给体聚合物的一种简单有效策略。


图1 聚合物给体PFBCNTx的合成路线及化学结构


图2 (a)受体Y6-BO的化学结构;(b)PBDB-TF、PFBCNTx、Y6-BO薄膜的归一化吸收光谱;(c)给受体材料的能级结构示意图


通过对聚合物给体薄膜以及给/受体共混薄膜进行GIWAXs分析,作者研究了DCT单元对分子堆积模式及取向的影响。PBDB-TF和PFBCNTx薄膜都呈现出face-on取向,这有利于电荷在垂直方向的传输。在共混薄膜中,聚合物的face-on取向仍然存在(图3a),且面外方向(010)衍射峰的强度随DCT含量的增加在逐渐增强,到PFBCNT20的时候最强,这表明DCT可以诱导理想的分子取向。通过量化分析(图3c)发现,共混薄膜PFBCNT20:Y6-BO的face-on/edge-on比值最大,表明其face-on取向程度最高。这有利于电荷传输和器件性能的提升,因此,基于PFBCNT20:Y6-BO的OSCs具有最高的短路电流(Jsc)和填充因子(FF)。


图3 (a)共混薄膜的2D GIWAXs图;(b)共混薄膜在面内(100)及面外(010)方向上的一维曲线图;(c)共混薄膜(100)峰的极图


表1 以PBDB-TF和PFBCNTx作为给体的OSCs在AM1.5G光照下获得的器件参数

a The data in brackets are the average values and standard deviation of at least 10 independent devices for each polymer:Y6-BO blend.

b The ternary OSCs based on PFBCNT20:Y6-BO:PC71BM blend film.

c Jsc, EQE represents the integrated current density obtained from EQE spectra.


作者采用傅立叶变换光电流谱(FTPS)和电致发光外量子效率(EQEEL)测试对基于PBDB-TF:Y6-BO和PFBCNTx:Y6-BO共混薄膜的OSCs的能量损失进行了详细分析(图4)。通过EQE光谱计算出所有器件的光学带隙为1.41 eV,所有器件的辐射复合损失ΔΕ1为0.27 eV、ΔΕ2为0.08 eV。通过测量纯聚合物薄膜和共混薄膜的EQEEL(图4b),发现EQEEL与DCT含量呈正相关性。因此,基于PFBCNT30:Y6-BO的OSCs具有最小的非辐射复合能量损失0.22 eV。这表明,在给体聚合物骨架中引入DCT单元,可以降低器件的非辐射复合能量损失。


图4 (a)共混薄膜的FTPS-EQE图;(b) 共混薄膜的EQEEL图;(c)共混薄膜中详细的能量损失柱状图


表2 以PBDB-TF和PFBCNTx作为给体的OSCs的能量损失具体数值


总的来说,该工作采用三元无规共聚策略,将结构简单且具有强吸电子能力的DCT单元引入到聚合物PBDB-TF骨架上,合成了HOMO能级逐渐降低的三个聚合物PFBCNTx(x=10,20,30),提高了电致发光效率,从而降低了器件的非辐射复合能量损失。除此之外,DCT单元能够改变聚合物中分子的取向,促进face-on取向,这有利于电荷的传输,从而提高器件的性能。该研究表明将DCT单元引入到聚合物骨架中,是一种减小非辐射复合能量损失、提高器件性能的简单可行策略。


原文链接:Ternary copolymers containing 3,4-dicyanothiophene for efficient organic solar cells with reduced energy loss (J. Mater. Chem. A, 2021, DOI:10.1039/d1ta03161a)

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta03161a#!divAbstract


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