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閔杰課題組在全聚合物和單組份太陽電池方向的研究進展
時間:2021-06-04 17:28:26點擊量:

        6月3日,Cell Press旗下的能源旗艦期刊 Joule 在線發表了我院閔杰研究員課題組的最新研究成果。該研究發展了一種新型的單組份共軛嵌段聚合物材料,為高效且穩定的聚合物太陽電池開發提供了新的材料體系設計思路。

        論文題目為“A conjugated donor-acceptor block copolymer enables over 11% efficiency for single-component polymer solar cells”(《共軛給-受體嵌段共聚物在單組份聚合物太陽能電池獲得超過11%的光電轉化效率》)。我院博士研究生吳瑤與郭靖為共同第一作者,閔杰研究員為通訊作者,武漢大學為第一作者單位。山東大學郝曉濤教授和浙江大學朱海明教授課題組參與了研究。

        該研究發展的新型單組份共軛嵌段聚合物材料(PBDB-T-b-PYT,主鏈同時含有受體嵌段和給體嵌段),具有11.32%的能量轉化效率(PCE),是目前單組份體系所報道的最高效率。相較于PBDB-T:PYT二元全聚合物體系,其暗態存儲和光穩定性也獲得了較好的提升。

        近一年來,閔杰研究員課題組在全聚合物太陽電池(All-PSCs)研究領域發表了一系列的研究工作進展。截止發稿,共在相關高水平學術期刊中(SCI一區)發表研究論文9篇,包括以武漢大學為第一單位的Joule 4篇(IF=29.155),Angew. Chem. Int. Ed. 1篇(IF=12.959),Adv. Energy. Mater.1篇(IF=25.245),Adv. Funct. Mater. 1篇(IF=16.836),Chem. Mater. 1篇(IF=9.567),Sol. RRL 1篇(IF=7.527),累計引用次數82次,ESI引用前1%的高被引論文1篇。

        全聚合物太陽電池(All-PSCs)是由P-型聚合物作為電子給體材料和N-型聚合物作為電子受體材料制備的新型有機太陽電池。相比較于非富勒烯小分子電池,All-PSCs通常表現出優異的光熱穩定性和機械性能。因此,發展高效且穩定的All-PSCs具有重要的科學意義和商業價值。然而,All-PSCs的能量轉化效率(PCE)一直落后于非富勒烯小分子電池,發展窄帶隙的N-型聚合物是減少All-PSCs與其他類型有機太陽電池性能差距的有效策略。近年來對聚合物電子受體材料的探索,特別是小分子受體聚合物化策略的提出,使得All-PSCs在有機太陽電池領域得到復興并極大地提升了其光電性能。

        閔杰研究員課題組率先將Y系列稠環小分子受體聚合物化,合成了聚合物受體PYT,該聚合物受體不僅具有高吸光系數1.0×105cm-1,而且其光學帶隙僅為1.40 eV。通過引入聚合物PM6作為給體材料,并微調PYT的分子量來精細優化活性層形貌,從而獲得了超過13.43%的PCE;另外,相較于對應的Y系列小分子體系,其穩定性也獲得了明顯的提升(Joule2020,4, 1070-1086;Sci. China Chem.2020,63, 1449-1460)。為了進一步提升All-PSCs的效率和穩定性,課題組通過分子設計、形貌調控、三元共混等策略出發,制備出了性能更加優異的全聚合物光伏體系(如圖1所示)。

圖1 課題組與合作者開發的新型聚合物受體材料及其研究成果示意圖

        在材料設計方面,課題組在PYT結構中引入酯基取代的噻吩單元,通過該單元的聚合比例來調控材料聚集行為,獲得了13.60%的PCE(Sol. RRL2020,4, 2000409);通過引入含噻吩稠環端基異構體,課題組合成了一系列高效率的聚合物的受體材料,且活性層展現出優異的光熱穩定性(Chem. Mater.2021,33, 761-773);另外,通過引入單氟和雙氟取代端基,設計的聚合物受體相比于PYT能夠獲得更強且紅移的吸收光譜,更好的分子堆積和電子遷移率,從而獲得了超過15%的效率(Adv. Energy Mater.2021,11, 2003171,Angew. Chem. Int. Ed.2021,60, 10137-10146,Adv. Funct. Mater.2021, DOI:10.1002/adfm.202100791)。

        在形貌調控方面,課題組在前期發展的逐層涂膜工藝基礎上(Joule2020,4, 407-419),制備了基于PYT聚合物受體的偽雙層結構,有效地改善了活性層形貌和載流子傳輸機制,從而獲得了15.20%的PCE(Adv. Funct. Mater.2021,31, 2010411)。值得一提的是,在研究全聚合物太陽電池穩定性問題的過程中發現:隨著活性層厚度的減小,活性層的熱穩定性和其器件光熱穩定性會逐漸增加。基于此發現,并結合效率、光熱穩定性、合成復雜性和活性層厚度等參數,課題組提出了一種新的光伏材料評價品質因數(i-FOM2.0),為有機光伏材料提供了新的度量方式(Joule2021,5, 1209-1230)。

        在三元共混策略方面,課題組將無氟取代的PYT作為第三組分引入PM6:PY2F-T主體系統中后,由于三元共混物的互補吸收和微調的微觀結構,使得改善后的器件PCE高達17.32%(為全聚合物體系最高值,并且得到了中國計量研究院第三方認證效率為16.94%),且器件T80壽命(達到初始器件效率的80%所需的時間,最大功率點測試)超過2萬小時。與相應的二元體系相比,三元共混體系在效率、能量損失、穩定性方面都具有明顯優勢(Joule2021, DOI:10.1016/j.joule.2021.04.007)。

        系列工作得到了國家自然基金委、武漢大學科研啟動經費以及校內自主科研項目的支持,同時也得到了北京分子科學國家研究中心、中國科學院上海有機化學研究所氟化學重點實驗室和華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室等單位開放基金的支持。感謝香港科技大學顏河教授、浙江大學朱海明和楊旸教授、山東大學郝曉濤教授等合作者在光伏材料和性能表征方面的支持和幫助。

        閔杰研究員課題組目前重點圍繞“材料化學-形貌物理-衰減機制-器件工程”的研究鏈條開展目標導向性基礎應用研究,解決光電領域中關鍵科學問題和關鍵技術問題,推動有機太陽電池的發展。

        論文網址:https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.05.002

        課題組主頁:http://jszy.whu.edu.cn/minjie1/en/index.htm。歡迎對有機光電課題感興趣的直博、推免生加入!


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