基于双噻吩酰亚胺聚合物给体的侧链调控与光伏性能研究

doi:10.7503/cjcu20230271

高等学校化学学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (9): 20230271.doi: 10.7503/cjcu20230271

基于双噻吩酰亚胺聚合物给体的侧链调控与光伏性能研究

白原青, 张佳滨, 刘春晨(), 胡志诚, 张凯, 黄飞()

华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室, 高分子光电材料与器件研究所, 广州 510640

收稿日期:2023-06-06 出版日期:2023-09-10 发布日期:2023-07-29
通讯作者: 刘春晨,黄飞 E-mail:mscliu@scut.edu.cn;msfhuang@scut.edu.cn
作者简介:第一联系人：共同第一作者.
基金资助:
国家重点研发计划项目(2019YFA0705900);广东省基础与应用基础研究重点项目(2019B030302007);国家自然科学基金(U21A6002);粤港澳光电磁功能材料联合实验室(2019B121205002)

Alkyl Chain Engineering of Bithiophene Imide-based Polymer Donor for Organic Solar Cells

BAI Yuanqing, ZHANG Jiabin, LIU Chunchen(), HU Zhicheng, ZHANG Kai, HUANG Fei()

Institute of Polymer Optoelectronic Materials and Devices，State Key Laboratory of Luminescent Materials and Devices，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China

Received:2023-06-06 Online:2023-09-10 Published:2023-07-29
Contact: LIU Chunchen, HUANG Fei E-mail:mscliu@scut.edu.cn;msfhuang@scut.edu.cn
Supported by:
the National Key Research and Development Program of China(2019YFA0705900);the Basic and Applied Basic Research Major Program of Guangdong Province, China(2019B030302007);the National Natural Science Foundation of China(U21A6002);the Guangdong-Hong Kong-Macao Joint Laboratory of Optoelectronic and Magnetic Functional Materials, China(2019B121205002)

1. ESM to 20230271.pdf(1606KB)

摘要/Abstract

摘要：

采用苯并二噻吩(BDT)作为给电子单元, 分别与具有2-乙基己基和甲基侧链的双噻吩酰亚胺(BTI)缺电子单元共聚构筑了两个聚合物给体材料(pBDT-BTI-EH和pBDT-BTI-ME). 与pBDT-BTI-EH∶Y6相比, 基于 pBDT-BTI-ME∶Y6的器件具有更高的电荷迁移率、更低的载流子复合、更高的激子解离以及更优的薄膜形貌, 从而获得了更高的短路电流密度(J_SC)和填充因子(FF), 电池的能量转换效率由9.31%提高到15.69%.

关键词: 有机太阳电池, 聚合物给体, 双噻吩酰亚胺, 侧链调控

Abstract:

Two polymer donor materials， namely pBDT-BTI-EH and pBDT-BTI-ME， were synthesized by copolymerizing benzodithiophene（BDT） unit with bithiophene imide（BTI） unit containing 2-ethylhexyl and methyl alkyl side chains， respectively. Compared to pBDT-BTI-EH∶Y6 based organic solar cells（OSCs）， the pBDT-BTI-ME∶Y6-based device exhibited higher charge mobilities， reduced charge recombination， more efficient exciton dissociation， and favorable film morphology， which leaded to increased short current density（J_sc）， fill factor（FF） and thus a significant improvement in power conversion efficiency（PCE） from 9.31% to 15.69%.

Key words: Organic solar cell, Polymer donor, Bithiophene imide, Alkyl chain engineering

中图分类号:

O631

TrendMD:

白原青, 张佳滨, 刘春晨, 胡志诚, 张凯, 黄飞. 基于双噻吩酰亚胺聚合物给体的侧链调控与光伏性能研究. 高等学校化学学报, 2023, 44(9): 20230271.

BAI Yuanqing, ZHANG Jiabin, LIU Chunchen, HU Zhicheng, ZHANG Kai, HUANG Fei. Alkyl Chain Engineering of Bithiophene Imide-based Polymer Donor for Organic Solar Cells. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(9): 20230271.

图/表 8

Fig.1 Device structure of OSCs

Fig.2 Chemical structures of pBDT⁃BTI⁃EH(A) and pBDT⁃BTI⁃ME(B)

Fig.3 Normalized UV⁃Vis absorption spectra of pBDT⁃BTI⁃EH and pBDT⁃BTI⁃ME in chloroform solutions(A) and as thin films(B), temperature⁃dependent absorption spectra of pBDT⁃BTI⁃ME(C) and pBDT⁃BTI⁃EH(D) in chlorobenzene solution, cyclic voltammetry curves of polymer pBDT⁃BTI⁃EH and pBDT⁃BTI⁃ME(E) and energy level diagram of pBDT⁃BTI⁃EH, pBDT⁃BTI⁃ME and Y6(F)

Table 1 Optical properties and energy levels of pBDT-BTI-EH and pBDT-BTI-ME

Polymer donor	λ_{max， Sol}/nm	λ_{max， Film}/nm	λ_{onset， Film}/nm	10^-4ɛ/cm^-1	$E g o p t$ ^a /eV	E_HOMO^b /eV	E_LUMO^c /eV
pBDT⁃BTI⁃EH	575	593	655	4.9	1.89	-5.51	-3.58
pBDT⁃BTI⁃ME	611	605	655	5.0	1.89	-5.52	-3.56

Table 1 Optical properties and energy levels of pBDT-BTI-EH and pBDT-BTI-ME

Polymer donor	λ_{max， Sol}/nm	λ_{max， Film}/nm	λ_{onset， Film}/nm	10^-4ɛ/cm^-1	$E g o p t$ ^a /eV	E_HOMO^b /eV	E_LUMO^c /eV
pBDT⁃BTI⁃EH	575	593	655	4.9	1.89	-5.51	-3.58
pBDT⁃BTI⁃ME	611	605	655	5.0	1.89	-5.52	-3.56

Fig.4 Chemical structure of Y6

Table 2 Photovoltaic parameters of the optimized devices

Active layer	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^-2）	$J S C E Q E$ /（mA·cm^-2）	FF（%）	PCE（%）	10³μ_h/（cm²·V^-1·s^-1）	10³μ_e/（cm²·V^-1·s^-1）	μ_h/μ_e
pBDT⁃BTI⁃EH∶Y6	0.87	18.66	18.33	56.43	9.31	1.33	0.211	6.30
pBDT⁃BTI⁃ME∶Y6	0.83	25.48	24.43	73.20	15.69	8.98	2.35	3.82

Table 2 Photovoltaic parameters of the optimized devices

Active layer	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^-2）	$J S C E Q E$ /（mA·cm^-2）	FF（%）	PCE（%）	10³μ_h/（cm²·V^-1·s^-1）	10³μ_e/（cm²·V^-1·s^-1）	μ_h/μ_e
pBDT⁃BTI⁃EH∶Y6	0.87	18.66	18.33	56.43	9.31	1.33	0.211	6.30
pBDT⁃BTI⁃ME∶Y6	0.83	25.48	24.43	73.20	15.69	8.98	2.35	3.82

Fig.5 J⁃V curves(A), EQE spectra(B), the curves of JSCvs. light intensity(C) and Jphvs. Veff curves of pBDT⁃BTI⁃EH and pBDT⁃BTI⁃ME based devices(D)

Fig.6 AFM images(A, B) and TEM images(C, D) of pBDT⁃BTI⁃ME∶Y6(A, C) and pBDT⁃BTI⁃EH∶Y6(B, D)

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基于双噻吩酰亚胺聚合物给体的侧链调控与光伏性能研究

Alkyl Chain Engineering of Bithiophene Imide-based Polymer Donor for Organic Solar Cells

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