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我系郭旭岗课题组在《德国应用化学》发表全聚物太阳能电池最新进展

发布日期:2017-11-06 16:39:00

最近,我系郭旭岗副教授课题组报道了全聚物太阳能电池(all-polymer solar cells)受体材料设计方向的最新研究成果,该成果在《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)在线发表,论文题目为“Effects of Bithiophene Imide Fusion on the Device Performance of Organic Thin-Film Transistors and All-Polymer Solar Cells”。

有机太阳能电池是新一代清洁能源中的研究焦点,通常利用富勒烯等小分子作为受体材料。但是富勒烯的化学结构相对固定,其分子能级和光学吸收难以调节,并且稳定性较差。采用聚合物作为受体材料为解决以上问题提供了有效方案,进而有望实现更高的能量转换效率。当前,聚合物受体材料的研发主要集中在基于酰亚胺结构的有机半导体上。酰亚胺具有强拉电子效应并带来溶解性可调等特征,迄今为止高性能n-型聚合物半导体材料都带有酰亚胺基团,其中基于萘酰亚胺和苝酰亚胺受体材料的电池性能在全聚物太阳能电池中处于领先地位。研发具有新颖结构的聚合物受体材料,并建立材料结构-器件性能关联,对于进一步提升全聚物太阳能电池性能具有重要意义。

在该论文中,郭旭岗副教授课题组设计了两种基于双噻吩酰亚胺的n-型聚合物受体材料(见图a)。这两种材料在场效应晶体管中都能达到1 cm2 V−1 s−1 左右的电子迁移率,但是其分子结构的微小变化对太阳能电池性能有巨大影响。研究发现,通过并环的方式将双噻吩酰亚胺结合起来,能够极大的提升聚合物太阳能电池的器件性能,能量转换效率最高可达到6.85%,同时实现较大的开路电压1.04 V(见图b),这是萘(苝)酰亚胺体系以外的聚合物太阳能电池的最好结果。

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图1. (a)双噻吩酰亚胺受体材料的化学结构;(b)晶体管器件性能(左)和 全聚物太阳能电池器件性能(右)

通过一系列材料和器件表征手段发现,双噻吩酰亚胺并环使得聚合物半导体具有更窄的带隙、更低的导带能级、更高的共面性和结晶度,从而使得并环聚合物半导体具有更高的电子迁移率。同步辐射表明,并环使得高分子半导体在场效应晶体管和太阳能电池器件中具有更合适的分子空间取向(图 2),从而有利于电荷的有效提取,取得更大的电流值和实现更高的能量转化效率。研究结果表明并环设计是实现高性能聚合物n-型材料的有效途径,为新型受体材料设计提供重要参考依据。

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图 2. 聚合物半导体薄膜的二维掠入式宽角X衍射图。

郭旭岗课题组博士后王英锋和硕士生闫政龙为该论文的共同第一作者,高级研究学者郭晗博士对材料进行了场效应晶体管性能表征,本科生凌少华参与部分材料合成工作, 本科生周鑫完成材料计算。合作作者包括韩国高丽大学Han Young Woo教授(同步辐射),南科大物理系戴俊峰助理教授等(光谱研究)。该项研究得到国家自然科学基金、深圳市孔雀团队、深圳市重点实验室、校长基金等项目的支持。 

论文链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201708421/full