四川大學彭強教授課題組 Angew：非常規(guī)氨基甲酸酯側鏈用于聚合物太陽能電池給體材料
2022-10-23 來源：高分子科技
在綠色能源領域，聚合物太陽能電池有著巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＦ涓泄饣钚詫硬牧系陌l(fā)展對于進一步提升聚合物太陽能電池的器件性能具有重要意義。側鏈工程是聚合物給體材料重要的設計策略之一。一方面，側鏈可以改善材料的溶解性；另一方面，側鏈上引入雜原子可以調(diào)節(jié)材料的分子軌道能級，并通過非共價鍵作用構建分子內(nèi)構象鎖，增強分子間相互作用，進一步提高器件性能。近日，四川大學彭強教授團隊通過非常規(guī)側鏈工程實現(xiàn)了高達18.76%的聚合物太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率，該工作以“Wide Bandgap Polymer Donors Functionalized with Unconventional Carbamate Side Chains for Polymer Solar Cells”為題發(fā)表在《Angew. Chem. Int. Ed.》上（DOI：10.1002/anie.202213252）。文章第一作者為四川大學化學工程學院碩士研究生唐潔，通訊作者為四川大學化學工程學院于立揚副研究員和彭強教授。該研究得到國家自然科學基金委的支持。
他們將氨基甲酸酯側鏈引入基于苯并二噻吩（BDT）的聚合物給體材料中，構建了新型聚合物給體PTzTz-N，其分子設計如上圖所示。通過在噻吩π橋上引入氨基甲酸酯側鏈，利用氨基甲酸酯側鏈中的等性sp2雜化N原子上的H原子和并噻唑中不等性sp2雜化N原子之間的N···H次級鍵作用在噻吩π橋與并噻唑（TzTz）受體基團之間形成一個六元環(huán)平面，增強了聚合物骨架的平面性，增大了聚合物受體的共軛面積，在與BTP-eC9匹配構件的聚合物太陽能電池中，器件展現(xiàn)出較高的短路電流和填充因子，實現(xiàn)了15.24%的能量轉(zhuǎn)換效率。
在后續(xù)研究中，該團隊進一步將PTzTz-N引入高性能D18:CTP-eC9混合物，構建了三混器件。與D18:BTP-eC9兩混器件相比，三混器件具有更高效的激子解離效率、更平衡的電荷傳輸能力、更低的電荷復合概率和更高的填充因子。因此，能量轉(zhuǎn)換效率從D18:BTP-eC9兩混器件的17.94%顯著提升至D18:PTzTz-N:CTP-eC9三混器件的18.76%。
器件效率的提升主要得益于帶有非常規(guī)氨基甲酸酯側鏈聚合物PTzTz-N的引入對薄膜的納米結構實現(xiàn)的微調(diào)。PTzTz-N與D18表面能相近，可以實現(xiàn)較好的混合，給體混合物中的混合熵可以抑制薄膜內(nèi)各種材料的結晶過程。相比于D18:BTP-eC9，PTzTz-N的加入抑制了在三混薄膜中D18纖維的過度生長和BTP-eC9大尺度晶體的形成，從而獲得了更優(yōu)異的納米相分離尺度，提高了器件光電流生成能力。
這一工作展現(xiàn)了通過非常規(guī)側鏈引入分子構象鎖從而構建高效給體聚合物材料的有效途徑。同時也展示了給體聚合物合金在提高聚合物太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率上的巨大潛力。
他們將氨基甲酸酯側鏈引入基于苯并二噻吩（BDT）的聚合物給體材料中，構建了新型聚合物給體PTzTz-N，其分子設計如上圖所示。通過在噻吩π橋上引入氨基甲酸酯側鏈，利用氨基甲酸酯側鏈中的等性sp2雜化N原子上的H原子和并噻唑中不等性sp2雜化N原子之間的N···H次級鍵作用在噻吩π橋與并噻唑（TzTz）受體基團之間形成一個六元環(huán)平面，增強了聚合物骨架的平面性，增大了聚合物受體的共軛面積，在與BTP-eC9匹配構件的聚合物太陽能電池中，器件展現(xiàn)出較高的短路電流和填充因子，實現(xiàn)了15.24%的能量轉(zhuǎn)換效率。
在后續(xù)研究中，該團隊進一步將PTzTz-N引入高性能D18:CTP-eC9混合物，構建了三混器件。與D18:BTP-eC9兩混器件相比，三混器件具有更高效的激子解離效率、更平衡的電荷傳輸能力、更低的電荷復合概率和更高的填充因子。因此，能量轉(zhuǎn)換效率從D18:BTP-eC9兩混器件的17.94%顯著提升至D18:PTzTz-N:CTP-eC9三混器件的18.76%。
器件效率的提升主要得益于帶有非常規(guī)氨基甲酸酯側鏈聚合物PTzTz-N的引入對薄膜的納米結構實現(xiàn)的微調(diào)。PTzTz-N與D18表面能相近，可以實現(xiàn)較好的混合，給體混合物中的混合熵可以抑制薄膜內(nèi)各種材料的結晶過程。相比于D18:BTP-eC9，PTzTz-N的加入抑制了在三混薄膜中D18纖維的過度生長和BTP-eC9大尺度晶體的形成，從而獲得了更優(yōu)異的納米相分離尺度，提高了器件光電流生成能力。
這一工作展現(xiàn)了通過非常規(guī)側鏈引入分子構象鎖從而構建高效給體聚合物材料的有效途徑。同時也展示了給體聚合物合金在提高聚合物太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率上的巨大潛力。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202213252
版權與免責聲明：中國聚合物網(wǎng)原創(chuàng)文章。刊物或媒體如需轉(zhuǎn)載，請聯(lián)系郵箱：info@polymer.cn，并請注明出處。
（責任編輯：xu）
相關新聞
- 鄭州大學孫晨凱課題組 ACS Nano：低成本聚合物給體PTQ16-10實現(xiàn)19.52%效率的有機太陽能電池 2024-12-31
- 南科大何鳳教授課題組《ACS Mater. Lett.》：主鏈調(diào)控增強溶液聚集優(yōu)化纖維狀網(wǎng)絡形貌實現(xiàn)高效的氯介導聚合物給體 2023-08-18
- 江西師范大學陳義旺/廖勛凡團隊《Adv. Mater.》：三元聚合和區(qū)域異構化策略構建高效三元聚合物給體材料 2023-05-01
- 香港科技大學顏河、于涵 AFM：聚合物受體中的氟化+硒化協(xié)同作用增強近紅外光子捕獲助力高效半透明全聚合物太陽能電池 2024-04-29
- 南開大學陳永勝教授團隊 Angew：全鹵噻吩固體添加劑實現(xiàn)效率超過18%的全聚合物太陽能電池 2024-01-07
- 南科大郭旭崗、馮奎團隊 Angew：高電子遷移率的雙硒吩酰亞胺基聚合物受體助力高性能全聚合物太陽能電池 2023-07-21
- 南開大學陳永勝教授團隊《ACS Mater. Lett.》：共軛側鏈方向聚合構建新型聚合物電子受體材料 2023-02-25
