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研究生科研创新基金2018年成果简介之五

日期:2018-11-02作者:点击:

我校化学学院2016级博士研究生徐小鹏及其团队以“宽带隙聚合物有机太阳能电池形貌调控研究”为主题分别在《Advanced Materials》(IF=21.95)、《Advanced Functional Materials》(IF=13.325)、《Nano Energy》(IF=13.12)等国际期刊上发表系列研究成果,2018年“杰青”获得者、化学学院彭强教授为该系列成果的通讯作者。

(1)有机金属络合首次成功引用于有机太阳能电池形貌调控

有机太阳能电池是当前有机半导体光伏领域研究的热点。提高有机太阳能电池器件效率和寿命是研究的重中之重。这离不开新材料的开发和器件工艺的精进。传统形貌优化主要靠溶剂、溶剂添加剂的选择,热旋涂、热退火、溶剂蒸发退火等策略。需要指出的是传统溶剂不仅危害人们身体健康而且污染环境;热旋涂、热退火等热处理以及溶剂蒸发退火等后处理工艺增加工业化生产难度和成本,并且面临产品重复率和寿命不高等问题。因此,新的形貌调控策略仍有待开发。

鉴于此,该团队首先设计合成了新型宽带隙受体材料PBDT-ODZ。该材料具有较低的前线轨道能级,与窄带隙受体材料ITIC-Th搭配,制备的非富勒烯有机太阳能电池开路电压达到1.08V,能量损失只有0.5 eV,光电转换效率达到10.12%。受制于其较差的微相形貌,器件效率有待进一步提高。鉴于传统形貌调控的缺点,该团队针对PBDT-ODZ具有成为有机金属络合物配体的特征,尝试通过金属络合的新策略实现形貌调控。通过络合度的控制,聚合物的吸收、能级、结晶性等都得到了很好的调节。更重要的是,获得了更为理想的纳米形貌结构,促进了激子解离和电荷传输。有机太阳能电池器件效率也显著提高到了12.34%,与基础器件相比,提高了21.9%。在此基础上,还通过对比实验证明了络合程度、络合剂选择的重要性,以及络合策略能够显著提高太阳能电池使用寿命。这一研究是有机金属络合在有机太阳能电池形貌优化中的首次报道与成功应用,充分展示了其在该领域的应用潜力。该研究以“Highly Efficient Nonfullerene Polymer Solar Cells Enabled by a Copper(I) Coordination Strategy Employing an 1,3,4-Oxadiazole-Containing Wide-Bandgap Copolymer Donor”为题,发表在国际著名期刊《Advanced Materials》上,徐小鹏为该研究的第一作者。

(2)宽带隙小分子以及三元共混策略优化形貌,提高有机太阳能电池器件效率

当前,得益于窄带隙小分子受体材料不断开发,有机太阳能电池器件效率显著提高。相对而言,高效率宽带隙受体的发展则较为落后。为了进一步提高有机太阳能电池器件性能,宽带隙受体材料的开发也是非常重要的。材料设计中,微小的结构变化都会引起显著的性能差异。在器件优化上,三元共混策略被广泛应用。三元共混策略不仅能够拓宽吸收、调节能级、增加能量和电荷传输通道,同时可以调节形貌,促进激子分离和电荷传输效率。

该团队制备了两个星型宽带隙受体材料异构体meta-TrBRCN和para-TrBRCN,系统研究其结构-性质的相关性。研究发现meta-TrBRCN比para-TrBRCN具有更小的空间位组,使得其具有更紧密的堆积、更强的吸收、更高的电荷迁移率。以PTB7-Th为给体材料制备的有机太阳能电池器件,从para-TrBRCN的8.29%提升至meta-TrBRCN的10.15%。该效率是基于宽带隙受体材料的最高记录。为了弥补其在长波方向上的吸收不足,该团队在PTB7-Th:meta-TrBRCN中混入一定量的ITIC-Th,形成三元共混器件。吸收的增强、形貌的进一步优化,使得器件的光生电流显著提高,器件效率提高至11.40%。该研究证明了分子结构设计以及三元共混器件在有机太阳能电池器件效率提高中的重要性。该研究以“Wide Bandgap Molecular Acceptors with a Truxene Core for Efficient Nonfullerene Polymer Solar Cells: Linkage Position on Molecular Configuration and Photovoltaic Properties”为题,发表在著名期刊《Advanced Functional Materials》上,2018届硕士毕业生武文林为该研究的第一作者。

(3)高迁移率宽带隙聚合物以及三元共混策略优化形貌,提高有机太阳能电池器件效率

在宽带隙聚合物设计中,增加聚合物骨架的共轭程度是重要的分子设计策略。增加共轭能够显著提高分子结晶性、电荷迁移率等重要参数。同时,对聚合物骨架的精修也能够对其能级、吸收等进行微调。比如,聚合物骨架上引入氟原子使得聚合物增加吸收的同时,降低能级,并提高其结晶性。这将有利于提高器件的开路电压、短路电流密度和填充因子,进而提高器件效率。

该团队通过增加共轭、引入氟原子制备了两个星型宽带隙给体材料PDTH-TZNT和PDTF-TZNT。引入氟原子的PDTF-TZNT的吸收、结晶性显著增加,用IT-M做受体材料与之共混,器件的电流和填充因子显著提高,由于氟原子具有降低能级的作用,PDTF-TZNT:IT-M的器件开路电压显著提高。这些使得太阳能电池光电转换效率从PDTH-TZNT的4.42%显著提高至10.05%。由于其短波长处的吸收较弱,光电转换效率受到一定的制约。该团队由此,将之前合成的宽带隙受体材料引入,形成三元共混器件,增强短波长处的吸收。吸收的增加,能级的调整和形貌的进一步优化,最终器件效率提升至11.48%。该研究以“Naphthobistriazole-based wide bandgap donor polymers for efficient nonfullerene organic solar cells: Significant fine-tuning absorption and energy level by backbone fluorination”为题,发表在《Nano Energy》上,2016级硕士研究生唐东升为该研究的第一作者。

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