化学学报 ›› 2023, Vol. 81 ›› Issue (11): 1500-1507.DOI: 10.6023/A23070353 上一篇 下一篇
所属专题: 庆祝《化学学报》创刊90周年合辑
研究论文
李东旭a, 徐翔a, 宋佳鸽a, 梁松挺a, 付予昂b, 路新慧b, 邹应萍a,*()
投稿日期:
2023-07-22
发布日期:
2023-10-22
作者简介:
基金资助:
Dongxu Lia, Xiang Xua, Jiage Songa, Songting Lianga, Yuang Fub, Xinhui Lub, Yingping Zoua()
Received:
2023-07-22
Published:
2023-10-22
Contact:
*E-mail: About author:
Supported by:
文章分享
聚合度高低会影响聚合物太阳能电池(PSC)活性层的共混微观结构, 导致其器件性能存在较大差异, 一般在聚合度较低时, PSC的能量转化效率(PCE)通常因电荷传输受到影响而明显降低. 为解决这一问题, 本工作将环状化合物冠醚与聚合物以非共价键的方式组成轮烷结构, 合成了四种具有不同冠醚含量且聚合度较低的给体材料PM6-C1、PM6-C2、PM6-C3和PM6-C4. 在保留聚合物本身优异光电性质的同时, 适量轮烷结构带来的非共价相互作用使活性层形成合适的纤维状网络结构和良好的相分离尺度, 增强了器件的电荷提取效率, 减少了陷阱/双分子复合, 从而导致高的电荷传输与收集效率. 基于PM6-C2的器件最终实现了16.23%的PCE, 高于基于PM6-L的器件(15.33%), 表明轮烷结构有助于改善聚合物太阳能电池活性层形貌, 在PSC材料研究中具有极大的潜力.
李东旭, 徐翔, 宋佳鸽, 梁松挺, 付予昂, 路新慧, 邹应萍. 轮烷结构优化聚合物太阳能电池光伏性能★[J]. 化学学报, 2023, 81(11): 1500-1507.
Dongxu Li, Xiang Xu, Jiage Song, Songting Liang, Yuang Fu, Xinhui Lu, Yingping Zou. Rotaxane Structure Optimizes the Photovoltaic Performance of Polymer Solar Cells★[J]. Acta Chimica Sinica, 2023, 81(11): 1500-1507.
Polymer | λmaxsol/nm | λmaxfilm/nm | λonsetfilm/nm | Egopt/eV | HOMO/eV | LUMO/eV | Egcv/eV |
---|---|---|---|---|---|---|---|
PM6-L | 609 | 614 | 684 | 1.81 | –5.55 | –3.38 | 2.17 |
PM6-C1 | 611 | 619 | 690 | 1.80 | –5.54 | –3.37 | 2.17 |
PM6-C2 | 613 | 620 | 688 | 1.80 | –5.54 | –3.37 | 2.17 |
PM6-C3 | 612 | 622 | 686 | 1.81 | –5.53 | –3.39 | 2.14 |
PM6-C4 | 612 | 620 | 685 | 1.81 | –5.52 | –3.40 | 2.12 |
Polymer | λmaxsol/nm | λmaxfilm/nm | λonsetfilm/nm | Egopt/eV | HOMO/eV | LUMO/eV | Egcv/eV |
---|---|---|---|---|---|---|---|
PM6-L | 609 | 614 | 684 | 1.81 | –5.55 | –3.38 | 2.17 |
PM6-C1 | 611 | 619 | 690 | 1.80 | –5.54 | –3.37 | 2.17 |
PM6-C2 | 613 | 620 | 688 | 1.80 | –5.54 | –3.37 | 2.17 |
PM6-C3 | 612 | 622 | 686 | 1.81 | –5.53 | –3.39 | 2.14 |
PM6-C4 | 612 | 620 | 685 | 1.81 | –5.52 | –3.40 | 2.12 |
Active layers | Voc/V | Jsc/(mA•cm-2) | Jsc-EQE/(mA•cm-2) | FF/% | PCE/% |
---|---|---|---|---|---|
PM6-L:Y6 | 0.86 (0.85±0.01) | 24.84 (24.53±0.50) | 24.79 | 72.10 (70.75±1.50) | 15.33 (15.10±0.23) |
PM6-C1:Y6 | 0.84 (0.84±0.01) | 24.81 (24.63±0.30) | 24.20 | 75.47 (74.66±1.61) | 15.82 (15.55±0.27) |
PM6-C2:Y6 | 0.85 (0.84±0.01) | 25.80 (25.56±0.33) | 25.58 | 73.46 (72.66±1.22) | 16.23 (16.02±0.21) |
PM6-C3:Y6 | 0.85 (0.84±0.01) | 25.13 (24.88±0.40) | 24.99 | 75.63 (73.56±2.00) | 16.08 (15.88±0.20) |
PM6-C4:Y6 | 0.85 (0.84±0.01) | 25.58 (25.28±0.36) | 25.28 | 69.94 (68.30±1.70) | 15.21 (14.99±0.22) |
Active layers | Voc/V | Jsc/(mA•cm-2) | Jsc-EQE/(mA•cm-2) | FF/% | PCE/% |
---|---|---|---|---|---|
PM6-L:Y6 | 0.86 (0.85±0.01) | 24.84 (24.53±0.50) | 24.79 | 72.10 (70.75±1.50) | 15.33 (15.10±0.23) |
PM6-C1:Y6 | 0.84 (0.84±0.01) | 24.81 (24.63±0.30) | 24.20 | 75.47 (74.66±1.61) | 15.82 (15.55±0.27) |
PM6-C2:Y6 | 0.85 (0.84±0.01) | 25.80 (25.56±0.33) | 25.58 | 73.46 (72.66±1.22) | 16.23 (16.02±0.21) |
PM6-C3:Y6 | 0.85 (0.84±0.01) | 25.13 (24.88±0.40) | 24.99 | 75.63 (73.56±2.00) | 16.08 (15.88±0.20) |
PM6-C4:Y6 | 0.85 (0.84±0.01) | 25.58 (25.28±0.36) | 25.28 | 69.94 (68.30±1.70) | 15.21 (14.99±0.22) |
[1] |
Liang R.-Z.; Babics M.; Savikhin V.; Zhang W.; Le Corre V. M.; Lopatin S.; Kan Z.; Firdaus Y.; Liu S.; McCulloch I.; Toney M. F.; Beaujuge P. M. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1800264.
doi: 10.1002/aenm.v8.19 |
[2] |
Li S.; Zhan L.; Sun C.; Zhu H.; Zhou G.; Yang W.; Shi M.; Li C.-Z.; Hou J.; Li Y.; Chen H. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 3073.
doi: 10.1021/jacs.8b12126 |
[3] |
Yuan J.; Zhang H.; Zhang R.; Wang Y.; Hou J.; Leclerc M.; Zhan X.; Huang F.; Gao F.; Zou Y.; Li Y. Chem 2020, 6, 2147.
doi: 10.1016/j.chempr.2020.08.003 |
[4] |
Sun R.; Wu Y.; Guo J.; Wang Y.; Qin F.; Shen B.; Li D.; Wang T.; Li Y.; Zhou Y.; Lu G.; Li Y.; Min J. Energy Environ. Sci. 2021, 14, 3174.
doi: 10.1039/D1EE00051A |
[5] |
Li T.; Zhan X. Acta Chim. Sinica 2021, 79, 257. (in Chinese)
doi: 10.6023/A20110502 |
( 李腾飞, 占肖卫, 化学学报, 2021, 79, 257.)
doi: 10.6023/A20110502 |
|
[6] |
Miao J.; Ding Z.; Liu J.; Wang L. Acta Chim. Sinica 2021, 79, 545. (in Chinese)
doi: 10.6023/A20120589 |
( 苗俊辉, 丁自成, 刘俊, 王利祥, 化学学报, 2021, 79, 545.)
doi: 10.6023/A20120589 |
|
[7] |
Zhang Y.; Zheng J.; Jiang Z.; He X.; Kim J.; Xu L.; Qin M.; Lu X.; Kyaw A. K. K.; Choy W. C. H. Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2203266.
doi: 10.1002/aenm.v13.7 |
[8] |
Shen Y. F.; Zhang H.; Zhang J.; Tian C.; Shi Y.; Qiu D.; Zhang Z.; Lu K.; Wei Z. Adv. Mater. 2023, 35, 2209030.
doi: 10.1002/adma.v35.10 |
[9] |
Feng L.; Yuan J.; Zhang Z.; Peng H.; Zhang Z.-G.; Xu S.; Liu Y.; Li Y.; Zou Y. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 31985.
doi: 10.1021/acsami.7b10995 |
[10] |
Yuan J.; Zhang Y.; Zhou L.; Zhang G.; Yip H.-L.; Lau T.-K.; Lu X.; Zhu C.; Peng H.; Johnson P. A.; Leclerc M.; Cao Y.; Ulanski J.; Li Y.; Zou Y. Joule 2019, 3, 1140.
doi: 10.1016/j.joule.2019.01.004 |
[11] |
Jiang K.; Wei Q.; Lai J. Y. L.; Peng Z.; Kim H. K.; Yuan J.; Ye L.; Ade H.; Zou Y.; Yan H. Joule 2019, 3, 3020.
doi: 10.1016/j.joule.2019.09.010 |
[12] |
Chen Y.; Bai F.; Peng Z.; Zhu L.; Zhang J.; Zou X.; Qin Y.; Kim H. K.; Yuan J.; Ma L. K.; Zhang J.; Yu H.; Chow P. C. Y.; Huang F.; Zou Y.; Ade H.; Liu F.; Yan H. Adv. Energy Mater. 2020, 11, 2003141.
doi: 10.1002/aenm.v11.3 |
[13] |
Cui Y.; Yao H.; Zhang J.; Xian K.; Zhang T.; Hong L.; Wang Y.; Xu Y.; Ma K.; An C.; He C.; Wei Z.; Gao F.; Hou J. Adv. Mater. 2020, 32, 1908205.
doi: 10.1002/adma.v32.19 |
[14] |
Song J.; Cai F.; Zhu C.; Chen H.; Wei Q.; Li D.; Zhang C.; Zhang R.; Yuan J.; Peng H.; So S. K.; Zou Y. Solar RRL 2021, 5, 2100281.
doi: 10.1002/solr.v5.8 |
[15] |
Li C.; Zhou J.; Song J.; Xu J.; Zhang H.; Zhang X.; Guo J.; Zhu L.; Wei D.; Han G.; Min J.; Zhang Y.; Xie Z.; Yi Y.; Yan H.; Gao F.; Liu F.; Sun Y. Nature Energy 2021, 6, 605.
doi: 10.1038/s41560-021-00820-x |
[16] |
Xu X.; Qi Y.; Luo X.; Xia X.; Lu X.; Yuan J.; Zhou Y.; Zou Y. Fundamental Research 2022, DOI: 10.1016/j.fmre.2022.01.025.
|
[17] |
Xu X.; Sun C.; Jing J.; Niu T.; Wu X.; Zhang K.; Huang F.; Xu Q.; Yuan J.; Lu X.; Zhou Y.; Zou Y. ACS Appl Mater Interfaces 2022, 14, 36582.
doi: 10.1021/acsami.2c07883 |
[18] |
Wei Q.; Liang S.; Liu W.; Hu Y.; Qiu B.; Ren J.; Yuan J.; Huang F.; Zou Y.; Li Y. ACS Energy Lett. 2022, 7, 2373.
doi: 10.1021/acsenergylett.2c00985 |
[19] |
Liu W.; Yuan J.; Zhu C.; Wei Q.; Liang S.; Zhang H.; Zheng G.; Hu Y.; Meng L.; Gao F.; Li Y.; Zou Y. Sci. China: Chem. 2022, 65, 1374.
doi: 10.1007/s11426-022-1281-0 |
[20] |
Han C.; Wang J.; Zhang S.; Chen L.; Bi F.; Wang J.; Yang C.; Wang P.; Li Y.; Bao X. Adv. Mater. 2023, 35, 2208986.
doi: 10.1002/adma.v35.10 |
[21] |
Bi P.; Wang J.; Cui Y.; Zhang J.; Zhang T.; Chen Z.; Qiao J.; Dai J.; Zhang S.; Hao X.; Wei Z.; Hou J. Adv. Mater. 2023, 35, 2210865.
doi: 10.1002/adma.v35.16 |
[22] |
Li D.; Deng N.; Fu Y.; Guo C.; Zhou B.; Wang L.; Zhou J.; Liu D.; Li W.; Wang K.; Sun Y.; Wang T. Adv. Mater. 2023, 35, 2208211.
doi: 10.1002/adma.v35.6 |
[23] |
Wang J.; Wang Y.; Bi P.; Chen Z.; Qiao J.; Li J.; Wang W.; Zheng Z.; Zhang S.; Hao X.; Hou J. Adv. Mater. 2023, 2301583.
|
[24] |
Zheng Z.; Wang J.; Bi P.; Ren J.; Wang Y.; Yang Y.; Liu X.; Zhang S.; Hou J. Joule 2022, 6, 171.
doi: 10.1016/j.joule.2021.12.017 |
[25] |
Zhang M.; Guo X.; Ma W.; Ade H.; Hou J. Adv. Mater. 2015, 27, 4655.
doi: 10.1002/adma.v27.31 |
[26] |
Li Z.; Li X.; Xue J.; Zhang J.; Zhu C.; Li J.; Ma W.; Meng L.; Li Y. ACS Energy Lett. 2023, 2488.
|
[27] |
Shi M.; Wang T.; Wu Y.; Sun R.; Wang W.; Guo J.; Wu Q.; Yang W.; Min J. Adv. Energy Mater. 2020, 11, 2002709.
doi: 10.1002/aenm.v11.1 |
[28] |
Li S.; Shi C.; Luo X.; Li D.; Lu X.; Hu Y.; Yuan J.; Zou Y. Solar RRL 2023, 2201090.
|
[29] |
Zhu W.; Spencer A. P.; Mukherjee S.; Alzola J. M.; Sangwan V. K.; Amsterdam S. H.; Swick S. M.; Jones L. O.; Heiber M. C.; Herzing A. A.; Li G.; Stern C. L.; DeLongchamp D. M.; Kohlstedt K. L.; Hersam M. C.; Schatz G. C.; Wasielewski M. R.; Chen L. X.; Facchetti A.; Marks T. J. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 14532.
doi: 10.1021/jacs.0c05560 |
[30] |
Schneider S. A.; Gu K. L.; Yan H.; Abdelsamie M.; Bao Z.; Toney M. F. Chem. Mat. 2021, 33, 5951.
doi: 10.1021/acs.chemmater.1c01050 |
[31] |
Li S.; Ma Q.; Chen S.; Meng L.; Zhang J.; Zhang Z.; Yang C.; Li Y. J. Mater. Chem. C 2020, 8, 15296.
doi: 10.1039/D0TC03217D |
[32] |
Bao S.; Yang H.; Fan H.; Zhang J.; Wei Z.; Cui C.; Li Y. Adv. Mater. 2021, 33, 2105301.
|
[33] |
Yu R.; Yao H.; Xu Y.; Li J.; Hong L.; Zhang T.; Cui Y.; Peng Z.; Gao M.; Ye L.; Tan Z. a.; Hou J. Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2010535.
doi: 10.1002/adfm.v31.18 |
[34] |
Ma Y.-F.; Zhang Y.; Zhang H.-L. J. Mater. Chem. C 2022, 10, 2364.
doi: 10.1039/D1TC04224F |
[35] |
Song X.; Zhang K.; Guo R.; Sun K.; Zhou Z.; Huang S.; Huber L.; Reus M.; Zhou J.; Schwartzkopf M.; Roth S. V.; Liu W.; Liu Y.; Zhu W.; Müller‐Buschbaum P. Adv. Mater. 2022, 34, 2200907.
doi: 10.1002/adma.v34.20 |
[36] |
van Franeker J. J.; Turbiez M.; Li W.; Wienk M. M.; Janssen R. A. Nat. Commun. 2015, 6, 6229.
doi: 10.1038/ncomms7229 pmid: 25656313 |
[37] |
Yu R. N.; Yao H. F.; Hong L.; Qin Y. P.; Zhu J.; Cui Y.; Li S. S.; Hou J. H. Nat. Commun. 2018, 9, 9.
doi: 10.1038/s41467-017-01881-x |
[38] |
Amabilino D. B.; Stoddart J. F. Chem. Rev. 2002, 95, 2725.
doi: 10.1021/cr00040a005 |
[39] |
Ashton P. R.; Baxter I.; Fyfe M. C. T.; Raymo F. M.; Spencer N.; Stoddart J. F.; White A. J. P.; Williams D. J. J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 2297.
doi: 10.1021/ja9731276 |
[40] |
Fang L.; Olson M. A.; Benitez D.; Tkatchouk E.; Goddard W. A., 3rd; Stoddart J. F. Chem. Soc. Rev. 2010, 39, 17.
doi: 10.1039/b917901a pmid: 20023833 |
[41] |
Mena-Hernando S.; Perez E. M. Chem. Soc. Rev. 2019, 48, 5016.
doi: 10.1039/c8cs00888d pmid: 31418435 |
[42] |
Chen L.; Sheng X.; Li G.; Huang F. Chem. Soc. Rev. 2022, 51, 7046.
doi: 10.1039/D2CS00202G |
[43] |
Valentina S.; Ogawa T.; Nakazono K.; Aoki D.; Takata T. Chem. Eur. J. 2016, 22, 8759.
doi: 10.1002/chem.v22.26 |
[44] |
Li W. J.; Hu Z.; Xu L.; Wang X. Q.; Wang W.; Yin G. Q.; Zhang D. Y.; Sun Z.; Li X.; Sun H.; Yang H. B. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 16748.
doi: 10.1021/jacs.0c07292 |
[45] |
Asay M. J.; Fisher S. P.; Lee S. E.; Tham F. S.; Borchardt D.; Lavallo V. Chem. Commun. 2015, 51, 5359.
doi: 10.1039/C4CC08267B |
[46] |
Riedel I.; Parisi J.; Dyakonov V.; Lutsen L.; Vanderzande D.; Hummelen J. C. Adv. Funct. Mater. 2004, 14, 38.
doi: 10.1002/adfm.v14:1 |
[47] |
Ran N. A.; Love J. A.; Heiber M. C.; Jiao X.; Hughes M. P.; Karki A.; Wang M.; Brus V. V.; Wang H.; Neher D.; Ade H.; Bazan G. C.; Nguyen T.-Q. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1701073.
doi: 10.1002/aenm.v8.5 |
[48] |
Kiermasch D.; Baumann A.; Fischer M.; Dyakonov V.; Tvingstedt K. Energy Environ. Sci. 2018, 11, 629.
doi: 10.1039/C7EE03155F |
[1] | 胡文敬, 李久盛. 双/三氮杂冠醚化合物的合成及其作为摩擦改进剂的性能研究※[J]. 化学学报, 2022, 80(3): 310-316. |
[2] | 万瑞辰, 伍思国, 刘俊良, 贾建华, 黄国璋, 李泉文, 童明良. 轴向卤离子配位调控金属冠醚铽(III)配合物的慢磁弛豫行为[J]. 化学学报, 2020, 78(5): 412-418. |
[3] | 廖港, 吴勇杰, 史炳锋. 非共价作用在过渡金属催化的选择性碳氢键活化中的应用[J]. 化学学报, 2020, 78(4): 289-298. |
[4] | 胡瑜辉, 武文林, 于立扬, 骆开均, 徐小鹏, 李瑛, 彭强. 基于吡咯并吡咯二酮核心的苝二酰亚胺类受体分子的合成及光伏性能[J]. 化学学报, 2020, 78(11): 1246-1254. |
[5] | 康树森, 范少聪, 刘岩, 魏彦存, 李营, 房金刚, 孟垂舟. 铝离子聚合物固态电解质[J]. 化学学报, 2019, 77(7): 647-652. |
[6] | 郝振亮, 阮子林, 杨孝天, 蔡逸婷, 卢建臣, 蔡金明. 超高真空环境下有机分子表面化学反应的研究进展[J]. 化学学报, 2018, 76(8): 585-596. |
[7] | 竹芯, 朱凯, 孙邦锦, 樊健, 周祎, 宋波. 综合研究DPE添加剂对含5,6-二氟-苯并[1,2,5]噻二唑给-受体共聚物的光伏性能影响[J]. 化学学报, 2017, 75(5): 464-472. |
[8] | 王娟, 邹千里, 闫学海. 肽超分子自组装:结构调控和功能化[J]. 化学学报, 2017, 75(10): 933-942. |
[9] | 徐俊, 王治强, 张希. 二维有机组装体的可控制备[J]. 化学学报, 2016, 74(6): 467-471. |
[10] | 高玉霞, 胡君, 巨勇. 基于天然小分子化合物的超分子自组装[J]. 化学学报, 2016, 74(4): 312-329. |
[11] | 赵蔡斌, 王占领, 周科, 葛红光, 张强, 靳玲侠, 王文亮, 尹世伟. 基于苯并二噻吩和吡咯并吡咯二酮共聚物的有机太阳能电池给体材料光伏性质理论研究[J]. 化学学报, 2016, 74(3): 251-258. |
[12] | 李昱达, 张恒, 王迅昶, 汪锋, 夏养君. 新型噻咯共轭聚合物的合成及其光伏性能[J]. 化学学报, 2015, 73(10): 1055-1060. |
[13] | 李新炜, 赵斌, 曹镇财, 沈平, 谭松庭. 基于1,2,4-三氮唑衍生物的共轭聚合物的合成及其光伏性能[J]. 化学学报, 2012, 70(23): 2433-2439. |
[14] | 刘小锐, 陈春香, 何荣幸, 申伟, 李明. 两种异质结太阳能电池聚合物供体材料的设计与理论性质[J]. 化学学报, 2012, 70(22): 2365-2371. |
[15] | 张瑀健, 谢彬, 张丽洋, 马丽, 何书艳, 李国文. 含氮杂冠醚双亲聚合物纳米球的制备及性能[J]. 化学学报, 2012, 0(04): 499-504. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||