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我院张少青副教授与中科院化学所侯剑辉团队《Materials Today》:有机光伏明星给体材料PBDB-T及其衍生物

发布时间:2020-06-18 17:10:07   编辑:
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由于具有低成本制备、柔性及独特的外观优势,有机光伏技术得到了广泛关注,是当前的研究前沿之一。近期,我院张少青副教授、中科院化学所侯剑辉及天津大学叶龙三个团队合作,在《Materials Today》上发表了题为“PBDB-T and its derivatives: A family of polymer donors enables over 17% efficiency in organic photovoltaics”的综述(Materials Today 2020, 35, 115),论述了PBDB-T及其衍生物材料优良光伏性能的原因,总结了围绕该类材料取得的进展,并对未来的发展进行了展望。


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图1. 左图为PBDB-T及其部分衍生物化学结构。右图为近年来PBDB-T及其衍生物在有机光伏领域取得的部分光伏数据,以及在主要学术期刊上与其他给体材料出现频率的对比(红色为PBDB-T及其衍生物,绿色为其他给体材料)。a)为富勒烯器件中PBDB-T类给体与其他给体填充因子FF及其极限值的对比。b)为与非富勒烯受体相关的新受体研究中, PBDB-T类给体与其他给体使用频率及器件效率的对比。c)为与非富勒烯受体相关的器件物理及形貌调控研究中, PBDB-T类给体与其他给体使用频率及器件效率的对比。d)为与非富勒烯受体相关的器件工程研究中, PBDB-T类给体与其他给体使用频率及器件效率的对比


PBDB-T及其衍生物是由BDT与BDD单元交替共聚构成的一类共轭聚合物材料。从2012年首次报道起(Macromolecules 2012, 45, 9611)便展现出优异的加工性能和光伏性能。该类材料通常具有链间相互作用强、相区尺度相对较小的聚集结构特征,并且具有高的消光系数与较好的载流子迁移率(Advanced Materials 2015, 27, 4655;Advanced Materials 2018, 30, 1800868)。给-受体之间形成纳米互穿网络相分离结构是有机光伏电池获得高光伏效率的关键,相当多的材料体系都是由于相分离形貌的失配,导致无法在光伏器件中正常工作。然而,PBDB-T类材料作为给体与各类受体材料共混时,十分易于获得纳米尺度的相分离结构,这一关键因素使其能够与各类非富勒烯受体材料表现出优良的匹配性,从而实现突出的能量转换效率。因此,多种性能优异的PBDB-T衍生物材料被应用于高效率光伏电池的制备(Angewandte Chemie International Edition 2018, 57, 12911;Journal of American Chemistry Society 2017, 139, 7148)。图1左侧部分展示了PBDB-T及典型衍生物材料中的结构单元;右侧部分为该类材料与其他类型给体材料之间的光伏性能对比及研究热度统计。十分明显,作为给体材料,PBDB-T及其衍生物的光伏性能明显优于其它材料体系,因此为近年来的非富勒烯受体相关研究提供了重要支撑。 

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图2. 使用PBDB-T及其衍生物旋涂制备的薄膜通常显示出麻绳状的聚集形貌。a)PBT1-O,PBT1-C和PBT1-S的重复单元结构式及其AFM照片。b) PBT1-O,PBT1-C和PBT1-S的GIWAXS衍射花样及面内面外散射数据。c) PBT1-O,PBT1-C和PBT1-S的基底面内面外方向散射数据。d)和e)共同展示了麻绳状聚集结构与棉絮状聚集结构的差别及相区纯度的差别。f) PBDB-T:IT-M和PBDB-T:IT-4F共混膜的二维GIWAXS衍射花样。g) PBDB-T:IT-M和PBDB-T:IT-DM共混薄膜的循环平均的RSoXS线形。h) 使用不同数均分子量的PBDB-TF制备PBDB-TF:IT-4F共混薄膜的Flory-Huggins常数相图。黄色阴影代表了测试的电子传输渗透阈值。绿色虚线代表了PBDB-TF:IT-4F共混膜的双结线/组成关系图。4个样品后的数字为PBDB-TF的数均分子量(51.2 kDa, 39.5 kDa, 30.8 kDa和27.6 kDa)。


PBDB-T及其衍生物使用简单的溶液加工工艺便可实现高效率、可重复的光伏性能,其主要原因是该类材料主链重复单元间具有独特的聚集结构,其固态薄膜的微观形貌受溶液加工参数的影响相对较低,有利于获得易重复的高效率结果。

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图3.左侧为已报道的高效率非富勒烯器件ΔFF与ΔVoc关系的散点图。所用给体材料为PBDB-T及其同系物时标记为红点;所用给体材料为其他给体材料时标记为红蓝点。黄色边框的点为各自类型器件中具有最高光伏效率的报道。右侧为迄今为止的报道中PBDB-T及其同系物的应用领域示意图。


此外,在给-受电子能力/特性匹配的前提下,PBDB-T及其衍生物能够与当前的绝大多数受体材料均可实现良好的电荷转移。该文章总结了使用PBDB-T及其衍生物的器件中电荷转移特性及能量损失。优异的性能使得PBDB-T及其衍生物被广泛用于有机光伏研究,推动“新受体材料”、“半透明器件”、“三元组分活性层”、“界面层功能调制及多结器件”等方面取得了丰硕成果。


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