我校黄剑华博士课题组在国际顶级期刊《Advanced Materials》发表论文

作者:雷水清      单位:材料学院 發布時間:2019-09-20

    我校材料学院黄剑华博士课题组近日在“新型高效聚合物光伏受体材料设计合成”领域取得重要进展,相关研究成果以“8.78% Efficient All-Polymer Solar Cells Enabled by Polymer Acceptors Based on A B←N Embedded Electron-Deficient Unit”为题发表于《Advanced Materials》。《Advanced Materials》是德国Wiley出版社旗下的顶级期刊,当前影响因子为25.809。

    目前,全聚合物太阳电池器件的最高效率为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築單元(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,並構築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。

图一:文献报道高效率(> 8%)聚合物受体材料的构筑单元

    鉴于此,该研究设计合成了一类含B←N配位键的新型缺电子单元BNIDT。通过对该单元的研究发现,这是一个强缺电子单元,具有强的电子亲和性、良好的骨架平面性和较强的分子间作用力。进一步利用这个新型单元与噻吩和3,4-二氟噻吩共聚,得到两个新型共轭聚合物BN-T和BN-2fT。通过光电性质表征发现,这类聚合物在可见区有很宽的吸收带,一直延伸到近红外区。最低空轨道(LUMO)能级在-3.8 eV左右。薄膜场效应晶体管(OTFT)测试表明,聚合物表现出双极性电荷传输特性,电子和空穴迁移率均在10-3-10-2 cm2/Vs。这些性质表明这类基于BNIDT的聚合物具备了用作太阳能电池受体材料的基本条件。选择一个商业化的聚合物PBDB-T作为给体材料,分别与BN-T和BN-2fT共混制备全聚合物太阳电池器件。通过常规的器件优化,如给受体(D/A)比例优化、添加剂优化和热退火优化等,得到基于PBDB-T: BN-2fT的全聚合物太阳电池的最佳效率为8.78%,其中填充因子达到70.4%(图二)。这个效率是除酰亚胺和二氰基乙烯类聚合物以外的最高效率。这个工作拓宽了新型高效聚合物受体材料的种类,其分子设计理念对高效聚合物材料开发具有重要启发意义。基于BNIDT这类共轭聚合物成为一类非常有前景的新型聚合物受体材料。

圖二:本研究開發的新型聚合物BN-2fT分子結構及其與PBDB-T爲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爲第一通訊單位,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)爲第一作者,在讀研究生孟慧峰爲共同第一作者,黃劍華博士爲第一通訊作者,中科院化學所詹傳郎研究員、香港科技大學劉焘博士、顔河教授爲共同通訊作者,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。

    论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201904585


(值班編輯:溫雅彬)