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张志国教授课题团队在《先进功能材料》上发表学术论文

发文时间:2023-02-24

    聚合物太阳电池是一种极具发展前景的可再生能源技术,具有轻质、低成本、柔性等优点,已引起了广泛关注。目前,由于新型小分子受体(SMAs)材料体系的不断优化以及器件制备工艺的改进,器件能量转换效率达到了商业化应用的门槛。然而,器件制备过程中伴随着溶剂的快速挥发,聚合物给体和SMAs构建的体异质结处于亚稳态。受体分子的热松弛会导致过度的自聚集使器件性能急剧下降,这是聚合物太阳能电池同时获得高效率和高稳定性的一个难点。为了解决这个难点,他们提出了“扩散受限受体合金”的策略不仅提高器件的稳定性,还提升了器件效率。材料学院研究生张岑和张铭为共同第一作者。材料学院张志国教授和重庆大学陈珊珊博士为论文共同通讯作者。


    图1.材料设计思想以及受体合金示意图;

    材料设计上,他们基于经典Y6受体的稠环骨架,设计合成了一种新型含有多氟取代的二氮杂环结构的小分子受体ZCCF3,并将其作为第三组分加入到PM6Y6两元体系中。在材料的合成上,他们在Y6芳香稠环的基础上,通过开环与闭环两步关键反应,最终通过缩合反应得到ZCCF3。值得注意的是,该缩合方法使用了该课题组2022年发表的Lewis酸催化的脑文格缩合方法,实现了快速、定量反应(详细内容见材料学相关新闻报道:张志国教授在《Nature Communications》上发表低成本合成小分子受体促近聚合物太阳能电池商业化方面的研究论文)GIWAXs表征发现,两种受体共混之后,Y6的分子取向发生了改变,这也从微观上证明两种受体之间存在强的相互作用,也说明了合金相的形成。另外,ZCCF3具有比Y6更高的玻璃化转变温度。机理如图1所示,ZCCF3能够与Y6分子形成受体合金,高TgZCCF3像一个铆钉插在Y6相中,限制了Y6在共混薄膜的扩散,从而提高了器件形貌的稳定性。制备的三元器件获得了18.54%的光电转换效率,同时器件在光照下运行350小时后仍能保持原始效率的80%以上,成功实现了高效率与高稳定性之间的平衡。他们提出的“扩散受限受体合金”的策略为一种有效的方法,可以同时提高器件的效率和稳定性。


2. 光照下器件稳定性得到提升和ZCCF3提升形貌稳定性的机理图

       Zhang, C.;  Zhang, M.;  Zhou, Q.;  Chen, S.;  Kim, S.;  Yao, J.;  Zhang, Z.;  Bai, Y.;  Chen, Q.;  Chang, B.;  Fu, H.;  Xue, L.;  Wang, H.;  Yang, C.; Zhang, Z.-G., Diffusion-Limited Accepter Alloy Enables Highly Efficient and Stable Organic Solar Cells. Adv. Funct. Mater. 2023. DOI: 10.1002/adfm.202214392

论文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202214392