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韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究所: 無(wú)規(guī)三元共聚物與1平方厘米高效聚合物太陽(yáng)能電池
2018-01-10  來(lái)源:X-MOL

  韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究所(KIST)Hae Jung Son博士等人近期報(bào)道了一種D1-A-D2-A結(jié)構(gòu)的無(wú)規(guī)三元共聚物,包括2,2''-聯(lián)噻吩及不同比例的5,6-二氟-4,7-雙(噻吩-2-基)-2,1,3-苯并噻二唑(2FBT-2T)和5,6-二氟-2,1,3-苯并噻二唑(FBT)。他們發(fā)現(xiàn),引入小比例的FBT不僅可以保持D-A共聚物FBT-Th4的高結(jié)晶度和良好的face-on取向,還可改善體相異質(zhì)結(jié)薄膜的納米級(jí)相分離。基于無(wú)規(guī)三元共聚物PDT2fBT-BT10的太陽(yáng)能電池效率高達(dá)10.31%,而基于FBT-Th4的電池效率僅為8.62%。此外,這種無(wú)規(guī)共聚物具有良好的可加工性并可抑制過(guò)度聚集,基于351 nm的PDT2fBT-BT10體相異質(zhì)結(jié)厚膜的有效面積1 cm2的光伏器件,效率高達(dá)9.42%。這一研究表明這種無(wú)規(guī)三元共聚物可用于大面積和體相異質(zhì)結(jié)厚膜光伏器件

圖1. 聚合物的合成示意圖。圖片來(lái)源:Adv. Energy Mater.

  作者通過(guò)控制投料比,合成了如圖1所示的四種聚合物。并利用高溫凝膠滲透色譜法(GPC)測(cè)試了幾種聚合物的分子量,Mn分別為44.1、55.5、46.7、57.6 kg/mol?1。

  作者隨后進(jìn)行了光學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)測(cè)試。如圖2a與2b,可以看出PDT2fBT-BT10從溶液到薄膜的吸收紅移更明顯,這也說(shuō)明少量的FBT可以確保聚合物鏈?zhǔn)菬o(wú)規(guī)的,這意味著溶解性比較好,而且在薄膜中可以形成較好的堆積。與其他聚合物相比,PDT2fBT-BT10的溶解性最好,而進(jìn)一步增加FBT的含量不能明顯增加溶解性(圖2c)。這種效應(yīng)可能是因?yàn)橛肍BT替代了2FBT-2T后,會(huì)降低烷基鏈的數(shù)目。隨著FBT成分增大其HOMO變深(圖2d),這是由于FBT成分增加后相當(dāng)于受體比例增加,使得HOMO變深。

圖2. (a) 幾種聚合物在溶液下的吸收;(b) 幾種聚合物在薄膜下的吸收;(c) 隨著丙腈組分的增加vs.溶液吸收邊占氯苯溶液吸收邊的比例;(d) 幾種聚合物的電化學(xué)測(cè)試曲線。圖片來(lái)源:Adv. Energy Mater.

  作者以這幾種聚合物材料制備有機(jī)太陽(yáng)能電池器件并測(cè)試了它們的性能。如圖3及表1所示是幾種材料不同面積器件的參數(shù)數(shù)據(jù),可以明顯看出PDT2fBT-BT10的效率在所有材料中是最好的。這充分證明了無(wú)規(guī)共聚的有效性。從小面積過(guò)渡到大面積,器件的短路電流密度與填充因子會(huì)隨之降低。

圖3. (a/b) 0.2 cm2器件的J-V曲線及EQE曲線;(c) 1 cm2器件的J-V曲線; (d) FBT-Th4與PDT2fBT-BT10兩種材料的效率分布;(e) 不同材料不同面積的FF分布。圖片來(lái)源:Adv. Energy Mater.


表1. 器件參數(shù)表。圖片來(lái)源:Adv. Energy Mater.

  此外,大面積器件中PDT2fBT-BT10對(duì)比FBT-Th4展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)(圖4a)。PDT2fBT-BT10隨著膜厚度的增加,效率變化并不明顯,相比之下FBT-Th4隨著厚度的增加出現(xiàn)了明顯的效率下降(圖4b)。同樣,PDT2fBT-BT10隨著膜厚度的增加,短路電流密度和填充因子幾乎不變,而FBT-Th4隨著厚度的增加這兩個(gè)參數(shù)都出現(xiàn)了下降(圖4c、d)。對(duì)于1 cm2的大面積器件,膜厚為351 nm時(shí),基于PDT2fBT-BT10器件的效率仍然可以大于9%(圖4e)。

圖4. (a) 1 cm2器件的效率分布圖;(b) 隨著膜厚改變FBT-Th4與PDT2fBT-BT10的效率變化;(c) 隨著膜厚改變兩個(gè)材料的電流變化;(d) 隨著膜厚改變兩個(gè)材料的FF變化;(e) 351 nm膜厚、活性層1 cm2的器件效率。圖片來(lái)源:Adv. Energy Mater.

  總之,Hae Jung Son博士等作者利用巧妙的無(wú)規(guī)共聚,使得聚合物達(dá)到溶解性、薄膜堆積等各方面的平衡且綜合性能最優(yōu),可以用于制備大面積太陽(yáng)能電池器件。而且這種無(wú)規(guī)共聚物相異質(zhì)結(jié)膜對(duì)于厚度不敏感,與器件的大規(guī)模印刷制備非常切合。本文的材料設(shè)計(jì)——合成——性能思路清晰,為以后進(jìn)一步的材料設(shè)計(jì)提供了重要借鑒。

  論文鏈接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201701405/abstract

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