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古树春风:低成本、高光伏性能的聚噻吩乙烯衍生物|NSR
来源: 中国科学杂志社   发布时间: 2021-04-09 09:58   520 次浏览   大小:  16px  14px  12px
古树春风:低成本、高光伏性能的聚噻吩乙烯衍生物|NSR
该成果发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR),第一作者为北京科技大学与中科院化学所实验员任均镇,通讯作者为北京科技大学张少青副教授和中科院化学所侯剑辉研究员。

研究者以经典共轭高分子聚噻吩乙烯为基础骨架结构,通过分子结构设计,对其光电特性及聚集态结构进行协同优化,制备了高性能的聚噻吩乙烯衍生物PTVT-T,以该聚合物为给体材料,实现了16.2%的光伏效率。

该成果发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR),第一作者为北京科技大学与中科院化学所实验员任均镇,通讯作者为北京科技大学张少青副教授和中科院化学所侯剑辉研究员。

有机光伏电池是一项具有重要应用前景的绿色能源技术,由有机电子给体和受体材料共混制备的光活性层对于此类电池的光伏效率具有决定性意义。大量新型材料体系以及分子修饰方法的不断涌现,使有机光伏电池的效率得到了巨大提升,同时也导致了材料分子结构更加复杂、成本更加昂贵,难以满足技术产业化对材料成本的要求。发展高效率的低成本有机光伏材料已经是领域内的基本共识。

领域发展早期的一些经典共轭高分子(如:聚噻吩、聚噻吩乙烯、聚苯撑乙烯等等)分子结构简单,成本优势巨大,在有机光伏领域的前期研究中发挥了重要作用。由于面临“聚集态结构及分子能级无法与新型受体材料匹配”的问题,经典共轭高分子已经逐渐淡出了高效率有机光伏电池的“舞台”。那么,能否在保持其低成本特性的前提下,通过分子结构设计使它们获得优良的光伏性能呢?

在这项研究中,研究者通过简单且有效的分子结构设计,对经典共轭高分子聚噻吩乙烯的多种光电特性及聚集态结构进行了协同优化,制备出高性能的聚噻吩乙烯衍生物PTVT-T,以该聚合物为给体材料,实现了16.2%的光伏效率。

分子设计的关键点是:在聚合物重复链段中引入对称的双酯基,实现了对其聚集态结构和分子能级的协同调制。

在PTVT-T的重复单元中,两个对称的酯基取代基使高分子具有更加稳定的平面链构象,从而诱导产生显著的“溶液态聚集效应”;该特征使高分子给体易于与受体材料形成纳米尺度相分离形貌。“低HOMO能级”是新型高性能高分子给体材料的另一共同特征之一,该特征使相应的光伏电池易于产出较高的输出电压。PTVT-T中的双酯基体现了良好的拉电子特性,使聚合物的HOMO能级降低至-5.28 eV。

(a) 通过引入对称酯基结构稳定主链构象;(b) PTVT-T的溶液态聚集效应及其固态薄膜表面微观形貌;(c) PTVT-T呈现强π-π聚集结构;(d) 由聚噻吩乙烯类(PTV)材料实现的光伏效率发展曲线。

PTVT-T的突出优点包括:分子结构与合成方法简单、成本低;与三种典型的受体材料均表现出良好的匹配性;相应的光伏电池兼具高效率和良好的稳定性。

PTVT-T中不含其它高效率聚合物给体中常见的F取代基,合成步骤及原料成本大幅低于其它高效率聚合物给体材料。与受体eC9共混可以获得16.20%的光伏效率;与受体IT-4F或PCBM共混也可以分别获得11.28%和7.25%的光伏效率;相应的光伏电池在模拟太阳光下工作500小时,效率保持率超过80%。

文章认为,通过合理的分子设计方法,具有简单化学结构的共轭高分子,尤其是领域研究初期发展的经典高分子材料,将在高效率、低成本的有机光伏电池中体现重要的价值。