南科大《Angew》:效率17.1%!是这类太阳能电池最高记录

能源电池材料技术 有机光伏技术
材料科学与工程    2020-12-17    424

  新材料和器件工艺的不断进步提高了聚合物太阳能电池(PSC)1-10的功率转换效率(PCE)。随着稠环受体的出现,此类设备的PCE增加到18%,接近有机光伏领域的商业水平。从实际的商业应用和工业批量生产的角度来看,应仔细评估PSC加工技术。无卤溶剂是必不可少的环保和可持续工业应用的前提条件。

  但令人遗憾的是,卤化溶剂,如氯仿和氯苯被广泛的用在PSC制造中。这些溶剂对于施主和受主材料都是良好的溶剂,所得的活性膜具有良好的形貌,并具有良好的纳米互穿网络,这有利于电荷的分离和传输。但是,这些溶剂有剧毒,可能对研究人员的健康有害。它们蒸发到大气中,造成污染和对环境的危害。卤代溶剂在PSC制备中的大规模生产和工业应用与绿色化学的目的背道而驰。

  最近,随着专门设计的供体和受体的出现,已经报道了一些用生态相容性溶剂处理的PSC,但是用无卤素溶剂处理的光伏系统的效率远远低于用含卤素溶剂处理的光伏系统。为了支持PSC的商业化生产,必须使用最低限度或无毒的无卤芳族绿色溶剂加工PSC。在开发用无卤溶剂处理的PSC时,应设计新的受体材料,以平衡端基与中心熔核之间的分子间相互作用。

  为了提高利用非卤化溶剂加工的聚合物太阳能电池(PSC)的性能,来自南方科技大学的Hui Chen等人在《Angew。Chem。 Int。 Ed。》发表题为“17。1%-Efficient Eco-Compatible Organic Solar Cells from a Dissymmetric 3D Network Acceptor”的文章。该文章设计并合成了一个不对称的稠环受体BTIC-2CL-γCF 3与氯和三氟甲基的末端基团。X-射线晶体数据表明,BTIC-2CL-γCF3具有三维网络结构填料作为相邻分子之间的H和J协同增效作用的结果,这将加强其作为受体材料的电荷传输。

  当使用PBDB-TF作为供体时,甲苯处理的二元装置实现了16。31%的高功率转换效率(PCE),当添加PC71ThBM作为第三种成分时,该转换效率进一步提高到17。12%。目前,在非卤代溶剂处理的聚合物太阳能电池中,效率超过17%是最高记录。这些器件从室外图像到ST-PSC都显示出良好的透明度,这表明半透明建筑集成光伏(ST-BIPV)的利用潜力很大。这项研究表明,氯化和三氟甲基化的协同应用是促进低带隙受体向生态兼容的加工和高效光伏应用发展的实用方法。

  论文链接:

  https://doi。org/10。1002/anie。202013053

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  图1。(a)分别为BTIC-2Cl-γCF3,PBDB-TF和PC71ThBM的分子结构;  (b)BTIC-2Cl-γCF3单晶,(c)在一个椭圆框中的π???π相互作用,(d)在一个椭圆框中的单晶,(e)在一个椭圆框中的分子间相互作用,  (f)从晶体学轴开始的3D网络堆积,(g)从c *晶体学轴开始的3D网络堆积。

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  图2。(a)BTIC-2Cl-γCF3在溶液和薄膜中的吸收光谱。  (b)BTIC-2Cl-γCF3纯膜,相关的二元和三元膜的归一化吸收。  (c)PBDB-TF,BTIC-2Cl-γCF3和PC71ThBM的分子能级。  (d)通过甲苯处理的BTIC-4Cl,BTIC-CF3-γ,BTIC-2Cl-γCF3和BTIC-2Cl-γCF3:PC71ThBM基PSC的J-V曲线。  (e)相应设备的EQE曲线。 (f)在无卤溶剂中加工的PSC的最新进展

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  图3。(a)纯,二元和三元共混膜的PL光谱,(b)实验Jsc与光强度的关系。 (c)对甲苯处理的二元和三元PSC的高灵敏度EQE和(d)EL量子效率。

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  图4。二元(a)和三元膜(b)的GIWAXS模式,平面外(c)和平面内(d)的相应线切割。使用甲苯处理的设备的存储稳定性(e)和光稳定性(f)。

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  图5。(a)J-V,(b)EQE和(c)甲苯处理的Ag阴极厚度不同的甲苯处理的半透明三元器件的传输曲线。  (d)近年来,基于ST-PSC的PCE超过10%。  (e)相关设备的CIE坐标,(f)通过ST-PSC的室外图像。

  结语:

  利用氯化和三氟甲基化的综合优势,本文设计并合成了具有优化分子聚集的不对称稠环受体BTIC-2Cl-γCF3。单晶分析表明该不对称受体中的3D网络堆积结构具有改善的电荷转移的作用。使用PBDB-TF作为供体,由氯苯,二甲苯和甲苯溶剂处理的去制备PSC能够实现了出色的光伏性能。甲苯处理的二元装置的PCE较高,为16。31%,其中PC71ThBM作为少量的第三组分掺入了原始的二元系统中,生产的三元装置的非辐射能量损失较小,PCE进一步更高,为17。12%。这在使用无卤素溶剂处理的PSC中,它是最高的。基于BTIC2Cl-γCF3的ST-PSC的PCE为13。06%,AVT为24。45%,并且是性能最佳的设备,AVT约为25%,在ST-BIPV生产中显示出巨大的潜力。本文的结果表明,氯化和三氟甲基化的不对称策略是一种可行的方法,可以使用无卤溶剂加工的生态兼容高效PSC来开发有前途的光伏材料。(文:SSC)

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