我校黃劍華博士課題組在國際頂級期刊《Advanced Materials》發表論文

作者:雷水清      單位:材料學院 發布時間:2019-09-20

    我校材料學院黃劍華博士課題組近日在“新型高效聚合物光伏受體材料設計合成”領域取得重要進展,相關研究成果以“8.78% Efficient All-Polymer Solar Cells Enabled by Polymer Acceptors Based on A B←N Embedded Electron-Deficient Unit”為題發表于《Advanced Materials》。《Advanced Materials》是德國Wiley出版社旗下的頂級期刊,當前影響因子為25.809。

    目前,全聚合物太陽電池器件的最高效率為11%到12%左右。當前報道的能夠實現高效率(> 8%)的聚合物光伏受體材料種類非常有限,全部都是基于兩大類電子構筑單元(圖一):一類是酰亞胺類如萘酰亞胺(NDI)、苝酰亞胺(PDI)等經典的染料分子;另一類是基于二氰基乙烯類(IDIC)缺電子單元。有限的材料選擇空間極大限制了全聚合物太陽電池的發展。設計全新結構的缺電子單元,并構筑高效聚合物受體材料,對全聚合物太陽電池發展具有重要意義。

圖一:文獻報道高效率(> 8%)聚合物受體材料的構筑單元

    鑒于此,該研究設計合成了一類含B←N配位鍵的新型缺電子單元BNIDT。通過對該單元的研究發現,這是一個強缺電子單元,具有強的電子親和性、良好的骨架平面性和較強的分子間作用力。進一步利用這個新型單元與噻吩和3,4-二氟噻吩共聚,得到兩個新型共軛聚合物BN-T和BN-2fT。通過光電性質表征發現,這類聚合物在可見區有很寬的吸收帶,一直延伸到近紅外區。最低空軌道(LUMO)能級在-3.8 eV左右。薄膜場效應晶體管(OTFT)測試表明,聚合物表現出雙極性電荷傳輸特性,電子和空穴遷移率均在10-3-10-2 cm2/Vs。這些性質表明這類基于BNIDT的聚合物具備了用作太陽能電池受體材料的基本條件。選擇一個商業化的聚合物PBDB-T作為給體材料,分別與BN-T和BN-2fT共混制備全聚合物太陽電池器件。通過常規的器件優化,如給受體(D/A)比例優化、添加劑優化和熱退火優化等,得到基于PBDB-T: BN-2fT的全聚合物太陽電池的最佳效率為8.78%,其中填充因子達到70.4%(圖二)。這個效率是除酰亞胺和二氰基乙烯類聚合物以外的最高效率。這個工作拓寬了新型高效聚合物受體材料的種類,其分子設計理念對高效聚合物材料開發具有重要啟發意義。基于BNIDT這類共軛聚合物成為一類非常有前景的新型聚合物受體材料。

圖二:本研究開發的新型聚合物BN-2fT分子結構及其與PBDB-T為活性層制備全聚合物太陽電池效率達到8.78%

    該研究工作是以我校作為第一通訊單位,與中科院化學所、香港科技大學、香港中文大學等單位合作完成。材料學院2016級研究生李永春(已畢業)為第一作者,在讀研究生孟慧峰為共同第一作者,黃劍華博士為第一通訊作者,中科院化學所詹傳郎研究員、香港科技大學劉燾博士、顏河教授為共同通訊作者,材料學院學生李雨晴、龐博、向瑩均對論文有貢獻。研究得到了國家自然科學基金和華僑大學校級基金的資助。

    論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201904585


(值班編輯:溫雅彬)