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电子给体(D)为共轭骨架,电子受体(A)为侧链单元的双缆共轭聚合物能形成D/A分子异质结以进行激子解离,从而能够应用于单组分有机太阳能电池(SCOSCs)。不同于给受体物理共混形成的本体异质结(BHJ)电池,经由给受体单元以共价键连接的双缆共轭聚合物制备的器件,不仅能够提高薄膜形貌的稳定性而且能够赋予电池器件优异的光热稳定性。尽管双缆共轭聚合物已经有近几十年的研究历史,然而基于这类材料的有机太阳能电池器件的能量转换效率(PCE)普遍低于5%。 自2017年以来,李韦伟教授课题组致力于发展给受体双缆型共轭高分子材料体系,并开发了一系列基于酰亚胺类受体单元的双缆共轭聚合物应用于SCOSCs,通过材料的结构设计和形貌的精细调控,该课题组将双缆共轭聚合物的能量转换效率不断提升至8%。但是,这类材料的吸收光谱普遍较窄难以覆盖至近{attr}3182{/attr}区域,造成了对太阳光利用率低使得电池器件的短路电流密度偏低,以及其较高的电压损失,最终限制了双缆共轭聚合物电池性能的进一步提升。因此,开发具有近红外光谱响应的双缆共轭聚合物材料十分必要。近年来,A-D-A型近红外光谱吸收的非富勒烯受体材料在有机太阳能电池领域中取得了重大突破,因此将其引入双缆共轭聚合物对于提高SCOSCs性能具有重要的研究意义。
近期,该课题组首次成功开发出具有近红外光谱响应受体的双缆共轭聚合物并成功将其应用于SCOSCs。作者设计合成了具有对称结构的的s-DCPIC,研究发现该聚合物的SCOSCs的PCE仅为2.99%,分析发现具有较大共轭结构的TPDIC受体单元阻碍了D/A纳米相分离的形成。基于上述分析,作者设计了不对称的as-DCPIC,研究发现,通过器件优化,基于as-DCPIC的SCOSCs的EQE接近0.8,PCE超过10%,并且基于该材料的器件表现出优异的光热稳定性。进一步分析掠入射X射线衍射和原子力显微镜测试数据,发现双缆共轭聚合物中给受体形成了良好的协同结晶,促使D/A形成了合适的纳米相分离尺寸。同时,as-DCPIC薄膜具有高效的载流子产生和电荷分离态的形成,亦促进了其能量转换效率的提高。 在该工作中,北京化工大学材料学院李韦伟教授团队设计并合成了具有近红外光谱吸收的非富勒烯受体型双缆共轭聚合物,并将其成功应用于单组分太阳能电池。通过双缆共轭聚合物非对称的结构设计实现了较低的电压损失和高的载流子迁移率,从而将其能量转换效率提升至10%,同时也实现了优异的光热稳定性。因此,将近红外吸收的非富勒烯电子受体侧链单元引入双缆共轭高分子材料体系,是获得高性能、高稳定性的单组分有机太阳能电池的一种有效策略,并且能够推动单组分有机太阳能电池进入崭新的研究阶段。 论文信息 Double-Cable Conjugated Polymers {attr}3227{/attr} Pendent Near-Infrared Electron Acceptors for Single-Component Organic Solar Cells Shijie Liang,Baiqiao Liu,Dr. Safakath Karuthedath,Jing Wang,Dr. Yakun He,Wen Liang Tan,Hao Li,Prof. Yunhua Xu,Prof. Ning Li,Prof. Jianhui Hou,Prof. Zheng Tang,Prof. Frédéric Laquai,Prof. Christopher R. McNeill,Prof. Christoph J. Brabec,Prof. Weiwei Li Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202209316
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