端基修饰聚合物给体制备高性能有机太阳能电池

doi:10.7503/cjcu20230169

高等学校化学学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (7): 20230169.doi: 10.7503/cjcu20230169

端基修饰聚合物给体制备高性能有机太阳能电池

张有辉¹^,², 杨娜², 段娜², 程毓君², 游诗勇², 吴飞燕²(), 谌烈²()

^1.江西中医药大学药学院, 南昌 330004
^2.南昌大学化学化工学院, 高分子与能源化学研究所, 南昌 330031

收稿日期:2023-04-01 出版日期:2023-07-10 发布日期:2023-05-05
通讯作者: 谌烈 E-mail:feiywu@ncu.edu.cn;chenlie@ncu.edu.cn
作者简介:吴飞燕, 女, 博士, 副教授, 主要从事有机太阳能电池和热电材料的应用研究. E-mail: feiywu@ncu.edu.cn
第一联系人：共同第一作者.
基金资助:
国家自然科学基金(51973087);江西省千人计划项目(jxsq2019201004);江西省自然科学基金(2021BAB204052)

End-capped Polymer Donors for Highly-efficient Organic Solar Cells

ZHANG Youhui¹^,², YANG Na², DUAN Na², CHENG Yujun², YOU Shiyong², WU Feiyan²(), CHEN Lie²()

^1.School of Pharmacy，Jiangxi University of Chinese Medicine，Nanchang 330004，China
^2.Institute of Polymers and Energy Chemistry（IPEC），College of Chemistry and Chemical Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China

Received:2023-04-01 Online:2023-07-10 Published:2023-05-05
Contact: CHEN Lie E-mail:feiywu@ncu.edu.cn;chenlie@ncu.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(51973087);the Thousand Talents Plan of Jiangxi Province, China(jxsq2019201004);the National Natural Science Foundation of Jiangxi Province, China(2021BAB204052)

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摘要/Abstract

摘要：

端基工程是一种非常简单、操作方便的聚合物修饰策略, 然而该策略用于调控非富勒烯有机太阳能电池性能的研究尚不充分. 本文通过Stille偶联方法, 分别以2-(2-乙基己基)噻吩(T-EH)、 5-(2-乙基己基)-2,2′-联噻吩(2T-EH)和5-(2-乙基己基)-2,2′∶5,2′-三联噻吩(3T-EH)为封端基团, 制备了3种新型的全封端聚合物给体 PM6-T-EH, PM6-2T-EH和PM6-3T-EH. 相比于未封端的聚合物给体PM6(效率为15.40%), 封端后的聚合物PM6-T-EH, PM6-2T-EH, PM6-3T-EH与Y6制备的器件分别取得了16.66%, 15.54%和13.50%的能量转换效率. 研究发现, 烷基单噻吩基团封端聚合物可以有效减少活性层中的载流子陷阱、优化活性层的形貌、改善电荷传输, 从而提升器件的性能. 随着封端基团噻吩单元的增加, 器件性能逐渐降低, 主要归因于封端剂共轭链增长、体积过大导致活性层形貌变差. 在单噻吩封端的最优性能基础上, 通过活性层优化, PM6-T-EH∶BTP-eC9体系的器件效率可达18.02%.

关键词: 有机太阳能电池, 聚合物给体, 封端策略, 能量转换效率

Abstract:

End-capping engineering is a very simple and convenient strategy for polymer modification， whereas its application in high performance non-fullerene organic solar cells is still limited. In this paper， three novel fully end-capped donors PM6-T-EH， PM6-2T-EH and PM6-3T-EH were prepared by capped with 2-（2-ethylhexyl）-thiophene（T-EH）， 5-（2-ethylhexyl）-2，2′-bithiophene（2T-EH）， and 5-（2-ethylhexyl）-2，2′∶5′，2′′-terthiophene（3T-EH）， respectively. Compared with pristine polymer donors PM6（15.40%）， end-capped polymers PM6-T-EH， PM6-2T-EH， PM6-3T-EH blended with Y6 achieved the power conversion efficiencies（PCE） of 16.66%， 15.54% and 13.50%， respectively. It is shown that the alkyl monothiophene end-capped polymer can reduce the carrier traps， optimize the morphology and improve the charge transport in the active layer， thus enhance the overall PCE. The gradually decreased device performance along with the increase of thiophene units in end-capping groups， is mainly attributed to the deteriorated morphology of active layer， resulting from the bulky conjugated chains of the end- capping groups. Further optimizing the active layer， the device based on PM6-T-EH∶BTP-eC9 achieved a highe efficiency of 18.02%.

Key words: Organic solar cell, Polymer donor, End-capping strategy, Photovoltaic conversion efficiency

中图分类号:

O649.5

TrendMD:

张有辉, 杨娜, 段娜, 程毓君, 游诗勇, 吴飞燕, 谌烈. 端基修饰聚合物给体制备高性能有机太阳能电池. 高等学校化学学报, 2023, 44(7): 20230169.

ZHANG Youhui, YANG Na, DUAN Na, CHENG Yujun, YOU Shiyong, WU Feiyan, CHEN Lie. End-capped Polymer Donors for Highly-efficient Organic Solar Cells. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(7): 20230169.

图/表 9

Fig.1 XPS spectra of Br3d (A) and Sn3d5/2(B) for polymers

Table 1 Absorption, energy levels and thermal decomposition properties of polymer donors

Polymer	M_n	PDI	λ_{max， sol}^a /nm	λ_{max， f}^b /nm	T_d^c /℃	E_g^{o pt}/eV	E_HOMO/eV	E_LUMO/eV
PM6	38100	2.5	615	624	362	1.82	-5.45	-3.63
PM6⁃T⁃EH	29200	2.6	616	619	376	1.83	-5.44	-3.61
PM6⁃2T⁃EH	26200	2.4	613	619	381	1.82	-5.42	-3.60
PM6⁃3T⁃EH	26400	2.6	615	624	396	1.82	-5.48	-3.66

Fig.2 Normalized absorption spectra of polymers solution(A), film(B), polymer cyclic voltammetry curves(C) and molecular energy level distribution(D)

Table 2 Photovoltaic performance parameters of the OSCs based on polymers∶Y6 and polymers∶BTP-eC9

Active layer	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^‒2）	FF（%）	PCE（%） ^a
PM6∶Y6	0.841	25.07	73.77	15.40（15.25）
PM6⁃T⁃EH∶Y6	0.850	26.17	74.79	16.66（16.21）
PM6⁃2T⁃EH∶Y6	0.846	25.71	71.43	15.54（15.20）
PM6⁃3T⁃EH∶Y6	0.833	24.95	65.05	13.50（13.34）
PM6∶BTP⁃eC9 ^b	0.841	26.56	76.82	17.17（16.56）
PM6⁃T⁃EH∶BTP⁃eC9 ^b	0.842	26.82	77.47	17.49（16.67）
PM6⁃T⁃EH∶BTP⁃eC9 ^c	0.844	27.55	77.51	18.02（17.78）

Fig.3 J⁃V curves(A), EQE spectra(B), photoluminescence(PL) spectra(C) of the corresponding devices, Jph⁃Veff curves(D), JSC dependence on Plight(E), VOC dependence on Plight(F) for polymers∶Y6 devices

Fig.4 Contact angles with deionized water of PM6(A), PM6⁃T⁃EH(B), PM6⁃2T⁃EH(C), PM6⁃3T⁃EH(D) and Y6 neat film(E), histograms of χ values of PM6∶Y6(a), PM6⁃T⁃EH∶Y6(b), PM6⁃2T⁃EH∶Y6(c), PM6⁃3T⁃EH∶Y6(d)(F)

Table 3 Surface tension and interaction parameters of polymers and Y6 acceptor

Film	θ_Water/（°）	γ/（mN·m^-1）	Blend film	χ
PM6	104.9	20.95	PM6∶Y6	0.147
PM6⁃T⁃EH	105.5	19.86	PM6⁃T⁃EH∶Y6	0.247
PM6⁃2T⁃EH	106.9	19.04	PM6⁃2T⁃EH∶Y6	0.349
PM6⁃3T⁃EH	107.0	18.92	PM6⁃3T⁃EH∶Y6	0.365
Y6	94.72	24.54	－	－

Fig.5 AFM height images of blend films PM6∶Y6(Rq=1.26 nm)(A), PM6⁃T⁃EH∶Y6(Rq=1.32 nm)(B), PM6⁃2T⁃EH∶Y6(Rq=1.36 nm)(C), PM6⁃3T⁃EH∶Y6(Rq=2.75 nm)(D), AFM phase images of blend films PM6∶Y6(E), PM6⁃T⁃EH∶Y6(F), PM6⁃2T⁃EH∶Y6(G), PM6⁃3T⁃EH∶Y6(H)

Fig.6 2D GIWAXS images of blend films PM6∶Y6(A), PM6⁃T⁃EH∶Y6(B), PM6⁃2T⁃EH∶Y6(C), PM6⁃3T⁃EH∶Y6(D), corresponding 1D plots in the IP and OOP direction for blend films PM6∶Y6, PM6⁃T⁃EH∶Y6, PM6⁃2T⁃EH∶Y6 and PM6⁃3T⁃EH∶Y6(E)

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End-capped Polymer Donors for Highly-efficient Organic Solar Cells

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