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鮑哲南院士，最新Nature子刊 ！
來源： 時(shí)間：2024-03-15 11:25:39 瀏覽：2266次

第一作者：Yilei Wu

通訊作者：鮑哲南院士

通訊單位：斯坦福大學(xué)

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-46493-4.



研究背景



聚合物太陽能電池（PSCs）作為一種非常規(guī)的可再生能源，由于其低成本的溶液處理、重量輕、半透明等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，引起了科研人員的極大興趣。其中，由聚合物供體和聚合物受體組成的全聚合物太陽能電池（all-PSCs）具有優(yōu)越的形態(tài)、熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，可在更廣泛的條件下加工，使其成為印刷技術(shù)的理想選擇。基于此，斯坦福大學(xué)鮑哲南院士等人報(bào)道了一種基于雙噻唑連接劑的高性能聚合物受體（PY-BTz），其性能與SMAs相當(dāng)。對(duì)比寡硫吩-連接的PSMAs（PY-2T），由A-DAD-A型構(gòu)建塊和4, 4'-二氧基-5, 5'-雙噻唑（BTz）作為π-連接劑組成的PY-BTz具有顯著增強(qiáng)的電子遷移率和本質(zhì)上較低的能量無序性。由于更好的聚合物主鏈共平面性，導(dǎo)致更好的分子內(nèi)共軛和更強(qiáng)的鏈間填充。



文章要點(diǎn)



1、對(duì)比二噻吩（2T），BTz由于其獨(dú)特的幾何和電子性質(zhì)，是一種很有前途的π橋連接單元：1）S(噻唑基)···O(烷氧基)吸引作用促進(jìn)非共價(jià)構(gòu)象鎖，具有廣泛的π共軛和高分子序；2）將(噻唑)N與(噻吩)C-H交換，消除相鄰芳烴單元間的排斥性C-H··H-C相互作用，降低空間位阻，從而進(jìn)一步改善π共軛、π堆積和堆積順序；3）噻唑的缺電子性質(zhì)抵消了烷氧基給電子特性，降低了受體聚合物的最高已占據(jù)分子軌道（HOMO）能量，提供了更好的空氣穩(wěn)定性。

2、作者還研究了不同氟化程度的供體聚合物（PBDB-TFx，x=0、0.25、0.50、0.75和1）對(duì)全聚酰聚烯烴共混形態(tài)和光伏性能的影響，其中PBDB-TF0.25可獲得最佳的共混相和能級(jí)匹配。PBDB-TF0.25: PY-BTz基器件的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）最高，達(dá)到16.4%（PCEave=16.0±0.2%），顯著高于PY-2T（9.8±0.1%）。在環(huán)境條件下，溶液剪切制備的器件的PCE高達(dá)14.7（PCEave=13.9±0.6%），并觀察到器件的長時(shí)間穩(wěn)定性，在適用于可擴(kuò)展印刷技術(shù)下制備的太陽能電池中最高值。

3、研究表明，BTz獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和電子特性使其成為聚合物受體中很有前途的π橋連接單元，并表明通過π橋連接優(yōu)化和非共價(jià)鍵相互作用，具有更多平面和剛性骨架構(gòu)象的共軛聚合物可以同時(shí)獲得高電子遷移率，良好的聚合物共混性和最小的印刷OPVs性能損失。



圖文展示



圖1. PY-BTz和PY-2T的合成路線

圖2.分子結(jié)構(gòu)分析

圖3.純聚合物的光學(xué)和形貌特性

圖4. all-PSCs的器件性能

圖5.光譜和時(shí)間分辨的超快激子離解和電荷復(fù)合

圖6.IR光譜中的納秒瞬態(tài)吸收實(shí)驗(yàn)

圖7.共混薄膜的形貌

圖8.能量損失分析

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