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    教學 . 科研

    我院張少青副教授與中科院化學所侯劍輝團隊《Materials Today》:有機光伏明星給體材料PBDB-T及其衍生物

    發布時間:2020-06-18 17:10:07   作者:
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    由于具有低成本制備、柔性及獨特的外觀優勢,有機光伏技術得到了廣泛關注,是當前的研究前沿之一。近期,我院張少青副教授、中科院化學所侯劍輝及天津大學葉龍三個團隊合作皇家国际-皇家国际唯一官网,在《Materials Today》上發表了題為“PBDB-T and its derivatives: A family of polymer donors enables over 17% efficiency in organic photovoltaics”的綜述(Materials Today 2020, 35, 115),論述了PBDB-T及其衍生物材料優良光伏性能的原因,總結了圍繞該類材料取得的進展,并對未來的發展進行了展望皇家国际-皇家国际唯一官网。


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    圖1. 左圖為PBDB-T及其部分衍生物化學結構。右圖為近年來PBDB-T及其衍生物在有機光伏領域取得的部分光伏數據,以及在主要學術期刊上與其他給體材料出現頻率的對比(紅色為PBDB-T及其衍生物皇家国际-皇家国际唯一官网,綠色為其他給體材料)皇家国际-皇家国际唯一官网。a)為富勒烯器件中PBDB-T類給體與其他給體填充因子FF及其極限值的對比皇家国际-皇家国际唯一官网。b)為與非富勒烯受體相關的新受體研究中, PBDB-T類給體與其他給體使用頻率及器件效率的對比。c)為與非富勒烯受體相關的器件物理及形貌調控研究中皇家国际-皇家国际唯一官网, PBDB-T類給體與其他給體使用頻率及器件效率的對比。d)為與非富勒烯受體相關的器件工程研究中, PBDB-T類給體與其他給體使用頻率及器件效率的對比。


    PBDB-T及其衍生物是由BDT與BDD單元交替共聚構成的一類共軛聚合物材料皇家国际-皇家国际唯一官网。從2012年首次報道起(Macromolecules 2012, 45, 9611)便展現出優異的加工性能和光伏性能。該類材料通常具有鏈間相互作用強、相區尺度相對較小的聚集結構特征皇家国际-皇家国际唯一官网,并且具有高的消光系數與較好的載流子遷移率(Advanced Materials 2015, 27, 4655;Advanced Materials 2018, 30, 1800868)。給-受體之間形成納米互穿網絡相分離結構是有機光伏電池獲得高光伏效率的關鍵,相當多的材料體系都是由于相分離形貌的失配,導致無法在光伏器件中正常工作。然而,PBDB-T類材料作為給體與各類受體材料共混時,十分易于獲得納米尺度的相分離結構,這一關鍵因素使其能夠與各類非富勒烯受體材料表現出優良的匹配性,從而實現突出的能量轉換效率皇家国际-皇家国际唯一官网。因此,多種性能優異的PBDB-T衍生物材料被應用于高效率光伏電池的制備(Angewandte Chemie International Edition 2018, 57, 12911;Journal of American Chemistry Society 2017, 139, 7148)。圖1左側部分展示了PBDB-T及典型衍生物材料中的結構單元;右側部分為該類材料與其他類型給體材料之間的光伏性能對比及研究熱度統計。十分明顯,作為給體材料,PBDB-T及其衍生物的光伏性能明顯優于其它材料體系皇家国际-皇家国际唯一官网,因此為近年來的非富勒烯受體相關研究提供了重要支撐。 

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    圖2. 使用PBDB-T及其衍生物旋涂制備的薄膜通常顯示出麻繩狀的聚集形貌。a)PBT1-O,PBT1-C和PBT1-S的重復單元結構式及其AFM照片。b) PBT1-O,PBT1-C和PBT1-S的GIWAXS衍射花樣及面內面外散射數據。c) PBT1-O皇家国际-皇家国际唯一官网,PBT1-C和PBT1-S的基底面內面外方向散射數據。d)和e)共同展示了麻繩狀聚集結構與棉絮狀聚集結構的差別及相區純度的差別皇家国际-皇家国际唯一官网。f) PBDB-T:IT-M和PBDB-T:IT-4F共混膜的二維GIWAXS衍射花樣。g) PBDB-T:IT-M和PBDB-T:IT-DM共混薄膜的循環平均的RSoXS線形皇家国际-皇家国际唯一官网。h) 使用不同數均分子量的PBDB-TF制備PBDB-TF:IT-4F共混薄膜的Flory-Huggins常數相圖。黃色陰影代表了測試的電子傳輸滲透閾值。綠色虛線代表了PBDB-TF:IT-4F共混膜的雙結線/組成關系圖。4個樣品后的數字為PBDB-TF的數均分子量(51.2 kDa, 39.5 kDa, 30.8 kDa和27.6 kDa)。


    PBDB-T及其衍生物使用簡單的溶液加工工藝便可實現高效率、可重復的光伏性能,其主要原因是該類材料主鏈重復單元間具有獨特的聚集結構,其固態薄膜的微觀形貌受溶液加工參數的影響相對較低,有利于獲得易重復的高效率結果。

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    圖3.左側為已報道的高效率非富勒烯器件ΔFF與ΔVoc關系的散點圖。所用給體材料為PBDB-T及其同系物時標記為紅點;所用給體材料為其他給體材料時標記為紅藍點。黃色邊框的點為各自類型器件中具有最高光伏效率的報道。右側為迄今為止的報道中PBDB-T及其同系物的應用領域示意圖。


    此外皇家国际-皇家国际唯一官网,在給-受電子能力/特性匹配的前提下,PBDB-T及其衍生物能夠與當前的絕大多數受體材料均可實現良好的電荷轉移。該文章總結了使用PBDB-T及其衍生物的器件中電荷轉移特性及能量損失。優異的性能使得PBDB-T及其衍生物被廣泛用于有機光伏研究皇家国际-皇家国际唯一官网,推動“新受體材料”皇家国际-皇家国际唯一官网、“半透明器件”、“三元組分活性層”皇家国际-皇家国际唯一官网皇家国际-皇家国际唯一官网、“界面層功能調制及多結器件”等方面取得了豐碩成果。


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