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    武漢大學高等研究院閔杰課題組《Adv. Ener. Mater.》:通過無規共聚策略助力制備高效聚合物太陽能電池
    2020-04-28  來源:高分子科技

      近日,Wiley出版集團旗下期刊Advanced Energy Materials(《先進能源材料》)在線發表了武漢大學高等研究院閔杰課題組通過無規共聚策略設計聚合物給體材料方面取得的最新研究成果,題為“Solution-Processed Polymer Solar Cells with over 17% Efficiency Enabled by an Iridium Complexation Approach”(DOI: 10.1002/aenm.202000590)。博士研究生汪濤孫瑞為共同第一作者,閔杰研究員為獨立通訊作者,武漢大學高等研究院為第一署名通訊單位。該工作得到了國家自然科學基金和武漢大學自主科研項目等的資助。


      有機太陽能電池的光電轉換效率在過去三十年里不斷提高,目前在實驗室條件下,基于共軛聚合物/非富勒烯小分子的單結器件效率已突破17%。近年來,非富勒烯受體材料的快速發展對與之匹配的聚合物給體材料提出了新的要求。在富勒烯體系中,許多文獻報道在高性能聚合物給體材料的骨架中引入少量重金屬絡合物或者其他結構單元的策略可以有效調控材料的結晶性,優化給受體相容性并改善相應的活性層形貌,從而顯著提高了相關器件效率,特別是短路電流和填充因子。然而,目前含金屬絡合物的聚合物作為給體材料在非富勒烯體系中的研究相對較少,如何設計并合成更多適用于高性能非富勒烯受體的絡合物摻雜的聚合物給體材料是一個重要而又富有挑戰性的課題。


    圖1. 聚合物PM6-Irx化學結構式,有機太陽能電池器件結構以及PM6-Ir1:Y6器件的電流密度-電壓曲線。


      基于以上考慮,武漢大學高等研究院閔杰課題組科研人員首次將重金屬銥絡合物摻雜到高性能的聚合物給體材料PM6骨架中,并采取無規共聚方法,設計合成了一系列含有金屬銥絡合物的無規共聚物PM6-Irx(x = 0, 0.5, 1, 2.5和5,如圖1所示)。研究發現利用少量的金屬銥絡合物進行摻雜,可以有效地調控聚合物PM6的分子平面性、結晶度、光吸收、能級以及改善與小分子受體材料Y6的相容性。進一步,原子力顯微鏡(AFM)和二維掠入射廣角X射線散射(2D-GIWAXS)形貌表征結果揭示了引入重金屬銥絡合物在一定程度上會改變活性層中聚合物PM6的結晶性和分子排列,有效調節活性層的微觀形貌。結果是PM6-Ir1:Y6光伏體系獲得了最為理想的活性層形貌,能有效促進電荷產生與分離,提升載流子遷移率并抑制載流子復合,從而顯著提升了器件的能量轉換效率;器件效率從PM6-Ir0:Y6參比器件的15.39%提高到PM6-Ir1:Y6器件的17.24%,并得到了中國計量科學研究院的認證(16.7%)。這項工作表明,從材料的設計角度來看,除了開發新型材料結構外,在現有高效聚合物給體材料中引入重金屬絡合物來精細調控活性層的微觀形貌,這也給突破現有高性能光伏體系光電轉換效率提供了一個行之有效的研究方法。


      相關論文發表在《先進能源材料》雜志上。


      論文鏈接:https://doi.org/10.1002/aenm.202000590

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