英文原题：Reduced energy loss in non-fullerene organic solar cells with isomeric donor polymers containing thiazole π–spacer
通讯作者：段春晖，黄飞，华南理工大学
作者：Long Zhang (张龙), Wanyuan Deng (邓万源), Baoqi Wu (吴宝奇), Long Ye (叶龙), Xiaofei Sun (孙筱菲), Zhenfeng Wang (王圳峰), Ke Gao (高珂), Hongbin Wu (吴宏滨), Chunhui Duan (段春晖),* Fei Huang (黄飞),* Yong Cao (曹镛)
有机太阳电池 (OSCs) 由于其柔性、质轻、低成本和可以进行溶液加工以实现大面积印刷等优势，有望成为新一代清洁能源技术，受到了学术界的广泛关注。有机太阳电池器件中的光活性层大多以电子给体和受体材料共混而形成，随着稠环非富勒烯小分子受体材料的快速发展，当前基于非富勒烯受体器件的能量转换效率 (PCE)已经超过16%。然而，相较于目前已经商业化的无机太阳电池和快速发展的钙钛矿太阳电池技术而言，有机太阳电池器件中较大的能量损失 (Eloss = Eg– qVoc) 是限制其效率进一步提升的关键因素之一，特别是相对较大的非辐射复合能量损失 (∆E3)。因此，如何通过给、受体活性材料的结构设计来减小有机太阳电池器件中的能量损失，成为该领域的研究热点之一，也是进一步提升其能量转换效率的有效途径。
图1. 以噻唑为π桥的聚合物（PBDBTz-2, PBDBTz-5）和原型聚合物（PBDB-T）的化学结构
近期，华南理工大学黄飞（点击查看介绍）和段春晖（点击查看介绍）团队在之前用噻唑桥连萘二酰亚胺 (NDI) 单元构筑平面性更好的TzNDI吸电子单元，实现电子迁移率为0.57 cm2 V-1 s-1的单极性场效应晶体管器件研究工作的基础上（Chem. Mater., 2018, 30, 8343），利用噻唑单元的弱缺电子性和平面性调控等特点，将噻唑单元引入原型给体聚合物PBDB-T中替换原有噻吩π桥，并通过调控噻唑π桥的朝向，得到两个结构上为异构体的含噻唑π桥的聚合物PBDBTz-2（噻唑2号位与吸电子单元相连）和PBDBTz-5（噻唑5号位与吸电子单元相连），结构如图1所示。研究人员首先用密度泛函理论 (DFT)对目标及参照分子的电子能级和构象进行量子化学计算，DFT计算结果表明含噻唑π桥的目标聚合物具有更深的能级，并且噻唑的引入能显著调控其构象。具体表现为噻唑的引入能够明显减小N原子临近区域的扭转，PBDBTz-2整体上表现出更优异的平面性。在吸收光谱中，目标聚合物较参比聚合物表现出20-30 nm的蓝移。其中，平面性相对更好的PBDBTz-2相比于结构上异构的PBDBTz-5吸收略微红移10 nm。以上三个聚合物都能和非富勒烯小分子IT-4F在光学吸收上互补。采用方波电势伏安法测得的能级变化趋势和通过DFT计算得到的结果一致，噻唑π桥的引入能够显著降低LUMO/HOMO能级，详细结果如图2所示。其中PBDBTz-5表现出更深的HOMO能级，这有助于实现较高的开路电压，减小能量损失。
图2. 目标聚合物和原型聚合物的能量最低构象(a)，吸收光谱(b)和能级图(c)。
研究人员采用正装器件结构ITO/MoO3(10 nm)/D:IT-4F/PFNBr(5 nm)/Ag(100 nm)，在模拟灯光照条件下对聚合物的光伏性能进行了表征，相应最优器件性能结果如图3所示。所有聚合物均表现出良好的性能，能量转换效率超过9%。与PBDB-T相比，含噻唑的聚合物的Voc分别提高了0.14 V（PBDBTz-2）和0.21 V（PBDBTz-5），进而印证了噻唑π桥能有效调控聚合物能级的设计策略。值得注意的是，PBDBTz-2（10.4%）的整体性能优于参比聚合物PBDB-T（9.3%），而PBDBTz-5（9.6%）的整体性能略高于PBDB-T，这是由于其稍低的Jsc和填充因子（FF）。有趣的是，PBDBTz-2和PBDBTz-5是相同的化学组成，只是噻唑π桥取向的方向不同，然而基于两种含噻唑聚合物的光伏器件产生不同的Voc和Eloss。这表明通过优化含噻唑聚合物或其他具有取向结构的聚合物的主链取向，可能获得更高的Voc和更小的能量损失。
图3. 目标聚合物和原型聚合物的J-V 曲线(a)和EQE谱图(b)。
为了进一步探索该项研究中能量损失的途径，该团队的合作者华南理工大学吴宏滨课题组分别采用FTPS-EQE和电致发光 (EL) 对该项工作中能量损失的具体途径进行了分析。结果表明，对于所有光伏器件都无法避免的辐射复合能量损失 (ΔE1) 而言，在该研究中三个体系均为0.28 eV。而对于由于电荷转移 (CT) 态的存在所造成的额外的辐射复合能量损失 (ΔE2) 而言，噻唑π桥的引入能够降低这部分的能量损失，从PBDB-T体系的0.14 eV减小到PBDBTz-2和PBDBTz-5的0.05 eV。更低的乌尔巴赫能 (Eu) 反映出噻唑的引入能够减小电子无序度，进而减小ΔE2。更重要的是，相较于PBDB-T器件的电致发光效率，PBDBTz-2提升了一个数量级，而PBDBTz-5在PBDBTz-2的基础上进一步提高了5倍，因而通过电致发光效率计算得到的非辐射复合能量损失由PBDB-T的0.42 eV降低到PBDBTz-2的0.36 eV和PBDBTz-5的0.31 eV。总体上的能量损失也由参比聚合物PBDB-T的0.84 eV，降低到PBDBTz-2的0.69 eV和PBDBTz-5的0.64 eV。
图4. 目标聚合物和原型聚合物的FTPS-EQE 谱图(a)， EL谱图 (b)和各部分能量损失图(c)。
表1. 基于Donor:IT-4F活性层器件中各部分的能量损失数值
上述结果表明噻唑π桥及其取向调控是降低有机太阳电池的能量损失的有效策略之一，该项研究近期发表于ACS Applied Materials & Interfaces 期刊上。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目的资助。
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Reduced Energy Loss in Non-Fullerene Organic Solar Cells with Isomeric Donor Polymers Containing Thiazole π-Spacers
Long Zhang, Wanyuan Deng, Baoqi Wu, Long Ye, Xiaofei Sun, Zhenfeng Wang, Ke Gao, Hongbin Wu, Chunhui Duan*, Fei Huang*, Yong Cao
ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, DOI: 10.1021/acsami.9b18048
Publication Date: December 6, 2019
Copyright © 2019 American Chemical Society
导师介绍
黄飞
https://www.x-mol.com/university/faculty/26765
段春晖
https://www.x-mol.com/university/faculty/49791
（本稿件来自ACS Publications）
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