AEM:有机太阳能电池材料“氟化”还是“非氟化”,这是一个问题

导语:研究人员发现合成的新型非氟化聚合物给体TPD-3与Y6匹配时,光伏性能比氟化的TPD-3更加优异,最高器件效率可达15.2%,即使在大面积厚度高的器件中性能依旧很有优势。AEM:有机太阳能电池材料“氟化”还是“非氟化”,这是一个问题

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To Fluorinate or Not to Fluorinate in Organic Solar Cells: Achieving a Higher PCE of 15.2% when the Donor Polymer is Halogen‐Free

1.前言回顾

氟化作为有机太阳能电池(OSCs)材料设计和修饰的一种广泛使用策略,在提高聚合物给体的光伏性能方面,具有非常重要的作用。其中主要原因有以下几个方面:(1)F原子的强电子亲和力降低了聚合物前沿分子轨道能量,从而提高OSCs的开路电压(Voc);(2)F掺入可以通过分子内的C-F··H和F··S相互作用来增强聚合物的平面度,同时通过改变分子间相互作用促进体异质结界面上的给受体相容性;(3)通过分子间C-F··H、F··S和F··π相互作用以及自组装促进重组能降低,从而提高结晶度和电荷迁移率。鉴于这些有利效应,当前绝大部分高性能聚合物给体都含有F或其它卤素,与无F给体相比,它们表现出更优越的光伏性能。然而,引入卤素通常需要繁琐的合成步骤,生产成本也相应提高。因此,对于OSCs聚合物给体,卤化是否总是必要以及合成步骤实用性和光电转换效率(PCE)之间是否可能达到平衡仍是一个值得注意的问题。

图1.分子结构与基本性质

2.文献简介

基于上述的考虑,近日,美国西北大学Antonio Facchetti教授Tobin J. Marks教授等人报道了一种含氟聚合物给体TPD-3F,当其与非富勒受体IT4F匹配时,PCE大于14%。然而,该体系共混物的吸收边缘大约处于850 nm,无法在近红外区域有效捕获光,因此短路电流密度(JSC)仅仅只有20.5 mA cm-2。考虑到Y6在紫外-可见-近红外区域的广泛而强烈的吸收,研究人员于是将TPD-3F与Y6匹配,希望能够获得更加优异的光伏性能。然而,令人出乎意料的是,基于TPD-3F:Y6的器件所获得的JSC与基于TPD-3F:IT4F的器件相当(21.07 vs 20.5 mA cm-2),但填充因子(FF)(62.2% vs 73.8%)和开路电压(VOC)(0.87 vs 0.91 V)反而更低,最终PCE仅为11%,远低于研究人员的期待。

图2.两种不同器件光伏性能比较

然而,有趣的是,当使用非氟化的聚合物给体TPD-3与Y6匹配时,他们意外地发现,虽然基于TPD-3:Y6的器件VOC比基于TPD-3F:Y6的器件低(0.80 vs 0.87 V),但前者的JSC和FF都比后者高,分别是26.51 vs 21.07 mA cm-2、68.0% vs 62.2%,所以最终产生了更高的PCE(14.5% vs 11.5%)。并且在传统结构器件中,基于TPD-3:Y6的OSCs最高可获得15.2%的PCE,是目前为止基于非卤化聚合物给体的OSCs效率最高值。从形态表征来看,TPD-3:Y6共混物具有优越的相分离畴尺寸和增强的织构;而复合动力学和瞬态吸收测试则表明,相应器件具有较低的电荷复合和更有效的激子解离。此外,基于TPD-3:Y6 的OSCs器件PCE表现出与活性层厚度的较小相关性,进一步制备的20 cm2大面积、200 nm活性层厚度的器件仍可实现高达9.31%的PCE,这有助于OSCs的大规模制造。

图3.相关共混物的形貌表征

3.文献总结

综上,该工作通过比较氟化和非氟化的两种聚合物给体对OSCs器件性能的影响,说明并非所有的氟化作用都是有利的,从而为新型光伏材料提供了新的思考和见解。相关研究成果现已发表在能源类国际顶级期刊《Advanced Energy Materials》上,题为“To Fluorinate or Not to Fluorinate in Organic Solar Cells:Achieving a Higher PCE of 15.2% when the Donor Polymer is Halogen-Free”。

本文关键词:有机太阳能电池,聚合物给体,氟化作用,结构修饰。

4.材料推荐

PBDB-TF:1802013-83-7

Y6:2304444-49-1

PBDB-T:1415929-80-4

IT4F:2097998-59-7

主营产品:电子除垢仪,旋流除砂器,定压补水罐 机组,硅磷晶,分集水器