基于受体1-受体2型聚合物给体的高效有机太阳能电池

doi:10.7503/cjcu20230157

摘要/Abstract

摘要：

设计合成了2种宽带隙聚合物给体, 分别命名为PDTz-BDD和PDTz-BDT. 其中, PDTz-BDT是一种典型的给-受体(D-A)型共轭聚合物, PDTz-BDD是具有受体₁-受体₂(A₁-A₂)型结构的共轭聚合物. 采用BTP-eC9作为受体, 分别与PDTz-BDD和PDTz-BDT共混构建有机太阳能电池, 系统研究了两种给体的光伏性能. 研究结果表明, 具有A₁-A₂型结构的PDTz-BDD表现出更强的光吸收能力、更明显的溶液聚集效应与更优良的器件形貌, 相应的光伏电池可以实现更高的光电转换效率(10.36%). 本文不仅设计合成了2种新型给体, 而且为构建A₁-A₂型共聚物以开发高效聚合物给体提供了参考.

关键词: 聚合物给体, 有机太阳能电池, 光伏特性, 受体₁-受体₂型结构

Abstract:

In this work， we designed and synthesized two wide band-gap polymer donors： poly｛1，3-bis（2-ethylhexyl）-5-［5-（5'-methyl-4，4'-diundecyl-［2，2'-bithiazol］-5-yl）thiophen-2-yl］-7-（5-methylthiophen-2-yl）-4H，8H-benzo［1，2-c：4，5-c'］dithiophene-4，8-dione｝（PDTz-BDD） and poly（5-｛4，8-bis［5-（2-ethylhexyl）thiophen-2-yl］-6-methylbenzo［1，2-b：4，5-b'］dithiophen-2-yl｝-5'-methyl-4，4'-diundecyl-2，2'-bithiazole）（PDTz-BDT）. PDTz-BDT is a typical donor-acceptor（D-A） type copolymer， whereas PDTz-BDD is an acceptor₁-acceptor₂（A₁-A₂） type polymer. The photovoltaic properties of the two polymers were investigated by blending BTP-eC9 as the acceptor to construct organic solar cells， respectively. PDTz-BDD-based device achieves a higher power conversion efficiency of 10.36% due to its stronger light absorption ability， more obvious aggregation effect in solution and better morphological property of the blend film. This work not only demonstrates two novel donors， but also provides meaningful guidance for constructing A₁-A₂ type copolymers to develop efficient polymer donors in the future.

Key words: Polymer donor, Organic solar cell, Photovoltaic property, A₁-A₂type structure

中图分类号:

O649

TrendMD:

李浩, 杨晨熠, 李佳尧, 张少青, 侯剑辉. 基于受体₁-受体₂型聚合物给体的高效有机太阳能电池. 高等学校化学学报, 2023, 44(9): 20230157.

LI Hao, YANG Chenyi, LI Jiayao, ZHANG Shaoqing, HOU Jianhui. Efficient Organic Solar Cells Based on Acceptor₁-acceptor₂ Type Polymer Donor. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(9): 20230157.

图/表 10

Fig.1 Chemical structure of BTP⁃eC9

Fig.2 Temperature⁃dependent UV⁃Vis spectra of PDTz⁃BDT(A) and PDTz⁃BDD(B)

Fig.3 Absorption spectra of polymers and BTP⁃eC9 films(A) and energy level alignment of PDTz⁃BDD, PDTz⁃BDT and BTP⁃eC9(B)

Fig.4 Optimized geometries and molecular frontier orbitals HOMO/LUMO for PDTz⁃BDD and PDTz⁃BDT at B3LYP/6⁃31G(d, p) level and ESP distribution for copolymers

Fig.5 J⁃V curves(A), EQE curves(B), Jph⁃Veff curves(C), light intensity dependence of JSC(D)and VOC(E), and photo⁃CELIV curves(F) of Polymer∶BTP⁃eC9 devices

Table 1 Photovoltaic parameters of Polymer:BTP-eC9 based cells

Blend	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^-2）	J_calc^* /（mA·cm^-2）	FF（%）	PCE（%）
PDTz⁃BDD∶BTP⁃eC9	0.78	22.05	20.92	59.97	10.36
PDTz⁃BDT∶BTP⁃eC9	0.78	16.32	16.22	58.60	7.50

Table 2 Detailed energy loss of PDTz-BDD-, PDTz-BDT- based cells

Blend	E_g/eV	E_loss/eV	E_CT/eV	ΔE_CT/eV	ΔE_rad/eV	ΔE_non⁃rad/eV
PDTz⁃BDD∶BTP⁃eC9	1.39	0.61	1.36	0.03	0.33	0.25
PDTz⁃BDD∶BTP⁃eC9	1.39	0.61	1.38	0.01	0.33	0.27

Fig.6 s⁃EQE, EL curves and fitted lines of PDTz⁃BDD∶BTP⁃eC9⁃based(A) and PDTz⁃BDT∶BTP⁃eC9⁃based(B) OSCs and EQEEL curves of PDTz⁃BDD, PDTz⁃BDT pure and blend films(C)

Fig.7 AFM height(A, B) and phase(C, D) images of PDTz⁃BDD⁃based(A, C) and PDTz⁃BDT⁃based(B, D) blend films

Fig.8 2D GIWAXS patterns of PDTz⁃BDD(A, C) and PDTz⁃BDT(B, D) and extracted 1D profiles(E) of the pure and blend films of PDTz⁃BDD and PDTz⁃DT（A） PDTs-BDD；（B） PDTs-BDT；（C） PDTs-BDD∶BTP-eC9；（D） PDTs-BDT∶BTP-eC9.

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基于受体₁-受体₂型聚合物给体的高效有机太阳能电池

Efficient Organic Solar Cells Based on Acceptor₁-acceptor₂ Type Polymer Donor

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