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任广禹&叶轩立ACS Energy Lett.:单组分共聚物实现高效和高稳定性有机太阳能电池

发表时间:2022-06-07 10:22作者:知研光电材料
导语:研究人员设计并合成单组分嵌段共聚物PM6-b-PYIT,其同时具有给体(PM6)和受体(PYIT)嵌段,器件效率高达15.55%。任广禹&叶轩立ACS Energy Lett.:单组分共聚物实现高效和高稳定性有机太阳能电池
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文献直通车请点击链接。如需文献PDF,可直接联系知研客服获取。https://doi.org/10.1021/acsenergylett.2c01082
1.前言回顾
体异质结有机太阳能电池(BHJ-OSCs)的光活性层由给体和受体混合组成,它们之间可以进行有效的电荷转移,从而提高光电转换效率(PCE)。非富勒烯受体(NFAs)促使单结BHJ-OSCs的PCE达到19%。然而,由于这些小分子的高扩散率,在热老化过程中,它们往往会在光活性层中形成过大的聚集体,从而严重影响器件的性能和寿命。全聚合物有机太阳能电池(all-PSCs)的光活性层由聚合物给体和聚合物受体组成,由于增加了聚合物链刚性,阻止了分子扩散,因此可以在一定程度上缓解扩散问题。然而,较高热应力下的形态不稳定性问题仍然存在,因为在较高温度下,给体和受体聚合物的软化将导致重新排列的薄膜形态。
通过共价键连接给体和受体两个片段,每个片段的运动将受到限制,可以有效稳定产生的光活性层的相分离。然而,基于单组分共聚物OSCs的PCE远远落后于最先进的BHJ-OSCs,这是由于嵌段受阻的分子堆积导致非理想形态,最终影响了器件中的电荷离解和传输。此外,相邻给体和受体嵌段之间可能存在的非共价相互作用使得其更难通过普通热退火或溶剂蒸汽退火方法来优化光活性层的形态。此外,缠绕的嵌段共聚物主链可能形成自由体积将阻碍聚合物链之间的电荷载流子传输,这将不可避免地破坏光伏性能。这些自由体积还会导致更容易的链段运动,并在不同的老化过程中导致形态不稳定,最终降低了器件的稳定性。

1.分子结构与基本性质


2.文献简介
基于上述的挑战,近日,香港城市大学任广禹(Alex K.-Y. Jen)教授叶轩立(Hin-Lap Yip)教授研究团队一直致力于解决基于嵌段共聚物OSCs中存在的这些问题。研究人员采用了基于改进的两步法来合成嵌段共聚物PM6-b-PYIT,其同时具有给体(PM6)和受体(PYIT)嵌段。与基于PM6:PYIT二元混合物的控制器件相比,基于PM6-b-PYIT的器件由于共轭单元的限制运动,显示出较高的热稳定性和操作稳定性。然而,共价键合的片段也阻碍了它们实现紧密堆积的自由度,因此在聚合物链之间产生了更大的自由体积。

图2.器件光伏性能测试


为了克服由此产生的非理想形态,研究人员进一步引入了少量Y6作为添加剂,其分子结构类似于嵌段共聚物中受体的分子结构,可以填充纳米空隙。Y6的空隙填充作用改善了PM6-b-PYIT器件的分子堆积和电荷传输,当添加3 wt% Y6时,最终器件实现了高达15.55%的PCE,同时显示出极好的稳定性,在最大功率跟踪60 min和85摄氏度的热老化条件下,仍能保持初始PCE的94.9%和93.1%。这些结果验证了在嵌段共聚物体系中引入NFAs作为添加剂,可以同时提高OSCs器件的效率和稳定性。


3.分子排列示意图



3.文献总结
综上,该工作为解决OSCs的效率与稳定性之间的权衡提供了一种很有前景的策略。相关研究成果最新发表于国际顶级能源期刊《ACS Energy Letters》上,题为“Non-Fullerene Acceptor Doped Block Copolymer for Efficient and Stable Organic Solar Cells”。
本文关键词:有机太阳能电池,单组分器件,嵌段共聚物,效率。
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PM6:1802013-83-7

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