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南科大化学系本科生钟筱蔚在知名期刊发表有机太阳能电池材料研究成果

2019-03-26 科研新闻

        近日,南方科技大学化学系大四本科生钟筱蔚作为第一作者在聚合物领域知名期刊Macromolecules(《大分子》)上发表关于氯取代给体聚合物太阳能电池材料的最新研究成果,论文题为“Synergistic Effect of Chlorination and Selenophene: Achieving Elevated Solar Conversion in Highly Aggregated Systems”。化学系副教授何凤为本文通讯作者。

        有机太阳电池因其成本低、质量轻、有大面积溶液加工前景等优点,受到国际范围的广泛关注。通过优化分子结构来提升器件性能是许多学者的研究方向。

图1. 给体PBT3TClSe  与  受体 PC71BM(富勒烯衍生物)
 
        太阳能电池的效率和开路电压与短路电流成正比。在聚合物中引入硒酚单元可以使材料整体结构更加规整,有结晶性,但对应材料往往开路电压比较低。已发表文献表明,在给体材料引入氯原子可有效提高开路电压。该研究通过协同硒酚单元和氯原子取代来研究形貌和堆积对太阳能电池器件的性能影响,设计了聚合物PBT3TClSe和PBT3TSe。


图2. a)循环伏安扫描图       b)能级图

        LUMO(电子最低未占轨道)与HOMO(电子最高已占轨道)能级的差值为激发电子从给体转移到载体所需的能量,和开路电压成正比。器件数据表明,氯取代PBT3TClSe分子的HOMO能级降低,使得开路电压既有一定的提升,同时也保持着相对较高的短路电流,从而获得了较高的光电转换效率。虽然氯取代和硒酚的结合引起了高度聚集,但因为氯原子有吸引电子的能力,能引起较强的分子间作用,缩短分子间距离,因此二者结合有利于电荷传输,能使器件性能整体得到提升。

        分析数据显示,相对PBT3TSe而言,氯取代的PBT3TClSe和PC71BM缺少明显的熔点,有更高程度的混合。原子力显微镜(AFM)和透射电子显微镜(TEM)图也能直观地表明PBT3TClSe比起PC71BM有着更强烈的聚集.

图3. 差示扫描量热法(DSC)对聚合物的表征

图4. 原子力显微镜(AFM)图和透射电子显微镜(TEM)图
左为PBT3TClSe, 右为PBT3TSe

        另外,膜的掠入射广角X射线谱(GIWAXS)显示,PBT3TSe的结构有着高比例的“面朝上”取向,有利于电荷在电极间传输,而PBT3TClSe则相对没有主要的取向,但有着更短的分子距离,同样利于电荷传输,因而保持着较高性能。

图5. 聚合物混合膜的掠入射广角X射线谱(GIWAXS)

        研究得出结论,高聚集状态的活性层不一定导致器件性能下降,协同引入氯原子和硒酚可以有效地提高太阳能电池的光电转换效率。这项成果可能给未来太阳能电池材料的发展提供新的思路。

        何凤课题组经过过去多年的不断努力,坚持通过精准控制分子弱相互作用调控材料结构形貌和性能的研究思路,分别通过氯原子的Cl-S、Cl-π等超分子相互作用调控有机光电材料分子的排列方式,构筑更加适合有机太阳电池器件的材料体系;同时利用共轭聚合物的π-π相互作用作为驱动力控制材料在不同维度上的生长速度,成功制备了二维方块胶束,并积极探索这些二维材料的电学行为响应。氯原子卤键等非共价相互作用对控制有机分子的排列和形貌具有决定性作用,不但可获得高度有序的材料体系,同时相应材料性能也可得到大幅提高,例如和本研究相关的氯取代给体聚合物效率就曾达到了富勒烯类太阳电池的世界一流水平,而且器件稳定性也得到了极大改善,引领了有机太阳电池领域对氯取代的重视和广泛研究。

        谈到这项研究和取得的成果,钟筱蔚表示,实验和投稿过程中的所有曲折经历都让她觉得弥足珍贵,而这些经验将会助力她未来出国进修。她感谢南科大化学系的科研创新项目,让当时大三的她和其他同学有机会在老师们的帮助下相对独立地完成自己选择的研究目标。

        该项研究得到国家自然基金委、深圳市科创委基础研究学科布局项目、南科大启动经费与深圳格拉布斯研究院经费的支持。美国阿贡国家实验室陈伟教授提供了同步辐射测试合作。

论文链接:
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/abs/10.1021/acs.macromol.8b02445

供稿:化学系
采访:刘馨
主图:丘妍

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