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    南方科技大學郭旭崗教授課題組《Adv. Mater.》:超窄帶隙的n型高分子半導體構筑高效全聚合物太陽能電池
    2020-06-17  來源:高分子科技

      近日,南方科技大學材料科學與工程系郭旭崗教授課題組在Advanced Materials上發表利用氰基來構建具有超窄帶隙n型高分子受體材料及其在全聚合物太陽能電池的最新研究進展。


        受益于在近紅外區域吸收上的突破,基于非富勒烯小分子受體材料的有機太陽能電池取得了超過16%的能量轉換效率。然而,由于n型高分子受體材料的帶隙通常較寬,在長波區域吸收有限,因此全聚合物太陽能電池的能量轉化效率相對較低。目前,大部分高性能高分子受體材料都是基于含酰亞胺的缺電子單元構建,主要以長期以來廣泛使用的苝二酰亞胺(PDI)和萘二酰亞胺(NDI),以及最近發展的梯狀雙噻吩酰亞胺(BTIn)等為主(圖 1)。雖然基于PDI和NDI的高分子受體材料取得了較大的成功,但是由于其相對寬的帶隙和在近紅外區域較弱的吸收,最近基于PDI和NDI高分子的全聚合物太陽能電池發展相對緩慢,吸收不足也成為限制全聚合物太陽能電池性能進一步提升的瓶頸。圖1總結了近年來具有代表性的n-型高分子受體材料及其在全聚合物太陽能電池中取得的短路電流和能量轉換效率。可以明顯發現,所有高性能的高分子受體材料所制備的全聚合物太陽能電池的短路電流密度都小于19 mA cm-2(圖 1),遠低于基于非富勒烯小分子受體材料構建的有機太陽能電池的短路電流密度值。因此,發展在近紅外區域具有強、寬吸收特性和優異電荷傳輸性能的新型n型高分子半導體對突破全聚合物太陽能電池短路電流以及能量轉換效率較低的關鍵問題十分重要。


    圖1 (a)文獻中報道的代表性的高分子受體材料和其制備的全聚合物太陽能電池短路電流密度及能量轉換效率;(b)本論文報道的具有超窄帶隙的n型高分子半導體及其全聚合物太陽能電池短路電流密度及能量轉換效率。


      由于氰基的強拉電子能力, 5,6-二氰基-2,1,3-苯并噻二唑(DCNBT)是一個高度缺電子單體,同時將是構建高性能n型高分子半導體的重要單元。為解決現有高分子受體材料吸收上的不足,本工作將DCNBT引入到高分子主鏈,利用“強給體-強受體”構建窄帶隙高分子半導體的設計策略。通過使用含氧橋聯的引達省單元與DCNBT聚合構建了兩個n型高分子半導體DCNBT-TPC和DCNBT-TPIC(圖 1)。由于其強分子內電荷轉移特性,在固體薄膜中,高分子DCNBT-TPC的吸收主要集中在600-900 nm,其異構體DCNBT-TPIC的吸收峰更為紅移,吸收主要集中在600-950 nm(圖2)。DCNBT-TPC和DCNBT-TPIC取得了超窄帶隙(1.38 eV和1.28 eV)并在長波區域具有很強的吸收能力,這樣的吸收特性打破了長期以來限制高分子受體材料在全聚合物電池中性能的瓶頸。


      DCNBT的引入能使高分子具有一定的共面性,并在薄膜狀態具有不錯的結晶性。用DCNBT-TPC和DCNBT-TPIC作為電子傳輸層制備的有機場效應晶體管分別獲得了高達1.72和0.16 cm2 V-1 s-1的電子遷移率,該遷移率與經典的n型高分子半導體材料N2200相當,甚至更高。當使用p型高分子半導體PBDTTT-E-T作為給體材料時,基于DCNBT-TPC制備的全聚合物太陽能電池器件獲得了19.44 mA cm-2的短路電流密度和9.26%的能量轉換效率。令人欣慰的是基于DCNBT-TPIC制備的全聚合物太陽能電池器件獲得了高達22.52 mA cm-2的短路電流密度和10.22%的能量轉換效率(圖2)。值得注意的是,基于DCNBT-TPIC的全聚合物太陽能電池是第一個使用具有超窄帶隙的n型高分子受體取得超過10%的能量轉化效率和光響應達到950 nm的器件。這表明氰基可以用來構建具有超窄帶隙高分子受體材料并取得了優異的全聚合物太陽能電池性能,也反映了氰基作為強拉電子基團能明顯提升高分子半導體的n型器件性能。


    圖2(a)高分子給體材料PBDTTT-E-T、高分子受體材料DCNBT-TPC和DCNBT-TPIC在薄膜態的紫外-可見吸收光譜;(b)PBDTTT-E-T、DCNBT-TPC和DCNBT-TPIC能級示意圖;(c)全聚合物太陽能電池的電流-電壓特征曲線;(d)全聚合物太陽能電池外量子效率特征曲線。


      該論文以題為“High-Performance All-Polymer Solar Cells Enabled by n-Type Polymers with an Ultranarrow Bandgap Down to 1.28 eV”發表在Advanced Materials上。馮奎博士為該工作的第一作者,郭旭崗教授為通訊作者。該工作得到了中國博士后科學基金(2019M662696)和深圳市基礎研究面上項目(JCYJ20190809162003662、JCYJ20180504165709042和JCYJ20170817105905899)的資助。


      原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202001476

      課題組網址:http://faculty.sustech.edu.cn/guoxg/

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