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蘭州交大夏養(yǎng)君教授課題組 Adv. Mater.: 氮-氧自由基共軛聚合物作為添加劑減少有機(jī)太陽(yáng)能電池非輻射能量損失
2023-03-24  來(lái)源：高分子科技
  有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSCs）由于其易于實(shí)現(xiàn)柔性、大面積低成本光伏組件，被認(rèn)為是可穿戴、半透明光伏技術(shù)最具潛力的實(shí)現(xiàn)方案。然而要滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)化需求，OSCs的能量轉(zhuǎn)化效率（PCE）和穩(wěn)定性亟待提高。近年，得益于新型高效有機(jī)電子給體材料、受體材料以及器件制備工藝等方面的優(yōu)化。尤其是近年來(lái)非富勒烯電子受體材料(NFAs)的快速發(fā)展，助推NFAs-OSCs的器件效率成功超過(guò)了19%。當(dāng)前，最優(yōu)NFAs-OSCs的短路電流密度(JSC)和填充因子(FF)分別達(dá)到了肖克利-奎瑟(SQ)限值的80%和90%以上，而相應(yīng)器件的開(kāi)路電壓(VOC)仍然低于SQ的80%。2021年，Friend等證實(shí)，在高效率NFAs-OSCs中，由自由電荷（Free charge）的非孿生復(fù)合產(chǎn)生的三線(xiàn)態(tài)電荷轉(zhuǎn)移態(tài)，能夠經(jīng)反向電荷轉(zhuǎn)移（Back charge transfer, BCT）在非富勒烯受體上產(chǎn)生三線(xiàn)態(tài)激子（），這些非發(fā)射性的將與體系中過(guò)量的載流子相互作用而被湮滅（TCA，Triplet-charge annihilation）是高效率NFAs-OSCs中主要的能量損失通道（～90%）。實(shí)驗(yàn)證明，TCA的存在不但不利于VOC的提高，而且還能增大自由電荷的復(fù)合概率，進(jìn)而抑制器件JSC和FF的提高。


  近日，蘭州交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院/甘肅省有機(jī)半導(dǎo)體材料與應(yīng)用技術(shù)工程研究中心夏養(yǎng)君教授課題組設(shè)計(jì)并合成了一種帶有2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基（TEMPO）氮-氧自由基側(cè)基的新型共軛聚合物（GDTA）（圖1）。發(fā)現(xiàn)當(dāng)以GDTA作為固體添加劑引入OSCs活性層時(shí)，不但可使基于PM6:Y6和PM6:BTP-eC9共混薄膜的OSCs的能量轉(zhuǎn)換效率分別從15.7%和17.5%提高到17.6%和18.3%，且使相應(yīng)光伏器件的光穩(wěn)定性也有一定的提高。另外，通過(guò)進(jìn)一步對(duì)基于PM6:Y6的光活性層中給受體的聚集行為、自由電荷復(fù)合行為、能量損失以及載流子動(dòng)力學(xué)行為等過(guò)程的研究發(fā)現(xiàn)，GDTA的加入，在對(duì)器件光學(xué)活性層的吸收、分子聚集以及載流子傳輸沒(méi)有明顯影響的情況下，抑制了器件中激子產(chǎn)生（圖2），進(jìn)而使器件中的TCA過(guò)程以及自由電荷的雙分子復(fù)合過(guò)程得到抑制，降低了器件的非輻射能量損失，使得器件的VOC, JSC和FF同時(shí)獲得了提高（圖3）。值得一提的是，這種新型的自由基聚合物添加劑在基于包括PM6:BTP-eC9, PM6:Y6, PM6:IT4F, PBDB-T:ITIC, J61:ITIC, P3HT:PC71BM, PTB7:PC61BM, PTB7-Th:PC71BM等多種NFAs-OSCs材料體系中都實(shí)現(xiàn)了PCE的提升，表現(xiàn)出較好的普適性。這一開(kāi)創(chuàng)性的研究工作，打破了傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)中由于自由基過(guò)于活潑，可能在有機(jī)光伏器件的共混薄膜中發(fā)生摻雜，從而不利于器件穩(wěn)定性的固有認(rèn)識(shí)。為同時(shí)提高有機(jī)太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率以及光穩(wěn)定性的研究提供了一種全新的器件優(yōu)化策略。 

圖1. 自由基共軛聚合物添加劑的分子結(jié)構(gòu)及引入到基于不同材料體系的OSCs后VOC以及PCE的變化趨勢(shì) 



圖2. 基于PM6:Y6體系OSCs器件的瞬態(tài)吸收光譜 



圖3. 基于PM6:Y6體系OSCs器件的EL, FTPS-EQE以及EQEEL


  相關(guān)研究成果最新發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《Advanced Materials》上，題為“A Nitroxide Radical Conjugated Polymer as Additive to Reduce Non-Radiative Energy Loss in Organic Solar Cells”。文章由蘭州交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生石芙蓉、蘭州交通大學(xué)國(guó)家綠色鍍膜技術(shù)與裝備工程研究中心郭鵬智博士及華南理工大學(xué)發(fā)光材料與器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室喬現(xiàn)鋒博士為共同第一作者完成。蘭州交通大學(xué)夏養(yǎng)君教授、查爾姆斯理工大學(xué)王二剛教授、南京大學(xué)張春峰教授和高麗大學(xué)Han Young Woo教授為共同通訊作者。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202212084

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