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我院张少青副教授与中科院化学所侯秸嫱馕蚯蚱教ü偻嫱馕蚯蚱教ü偻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   作者:
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由于具有低成本制备正规外围买球平台官网正规外围买球平台官网、柔性及独特的外观优势正规外围买球平台官网,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,我院张少青副教授正规外围买球平台官网、中科院化学所侯?正规外围买球平台官网;约疤旖虼笱б读鐾哦雍献髡嫱馕蚯蚱教ü偻嫱馕蚯蚱教ü偻?,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)正规外围买球平台官网,论述了PBDB-T及其衍生物材料优良光伏性能的原因正规外围买球平台官网正规外围买球平台官网正规外围买球平台官网,总结了围绕该类材料取得的进展正规外围买球平台官网正规外围买球平台官网正规外围买球平台官网,并对未来的发展进行了展望正规外围买球平台官网。


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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正规外围买球平台官网正规外围买球平台官网正规外围买球平台官网,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及其衍生物正规外围买球平台官网,绿色为其他给体材料)正规外围买球平台官网正规外围买球平台官网正规外围买球平台官网。a)为富勒烯器件中PBDB-T类给体与其他给体填充因子FF及其极限值的对比正规外围买球平台官网。b)为与非富勒烯受体相关的新受体研究中正规外围买球平台官网正规外围买球平台官网正规外围买球平台官网, PBDB-T类给体与其他给体使用频率及器件效率的对比正规外围买球平台官网。c)为与非富勒烯受体相关的器件物理及形貌调控研究中正规外围买球平台官网, PBDB-T类给体与其他给体使用频率及器件效率的对比正规外围买球平台官网正规外围买球平台官网。d)为与非富勒烯受体相关的器件工程研究中正规外围买球平台官网正规外围买球平台官网, PBDB-T类给体与其他给体使用频率及器件效率的对比正规外围买球平台官网。


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正规外围买球平台官网正规外围买球平台官网。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正规外围买球平台官网。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正规外围买球平台官网,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正规外围买球平台官网;Advanced Materials 2018, 30, 1800868)正规外围买球平台官网。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正规外围买球平台官网,相当多的材料体系都是由于相分离形貌的失配正规外围买球平台官网正规外围买球平台官网,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正规外围买球平台官网,十分易于获得纳米尺度的相分离结构正规外围买球平台官网正规外围买球平台官网,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正规外围买球平台官网正规外围买球平台官网,从而实现突出的能量转换效率正规外围买球平台官网。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正规外围买球平台官网;Journal of American Chemistry Society 2017, 139, 7148)正规外围买球平台官网。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正规外围买球平台官网正规外围买球平台官网正规外围买球平台官网;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正规外围买球平台官网正规外围买球平台官网。十分明显正规外围买球平台官网,作为给体材料正规外围买球平台官网正规外围买球平台官网,PBDB-T及其衍生物的光伏性能明显优于其它材料体系正规外围买球平台官网,因此为近年来的非富勒烯受体相关研究提供了重要支撑正规外围买球平台官网。 

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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正规外围买球平台官网。a)PBT1-O正规外围买球平台官网,PBT1-C和PBT1-S的重复单元结构式及其AFM照片正规外围买球平台官网。b) PBT1-O正规外围买球平台官网正规外围买球平台官网,PBT1-C和PBT1-S的GIWAXS衍射花样及面内面外散射数据正规外围买球平台官网正规外围买球平台官网。c) PBT1-O正规外围买球平台官网正规外围买球平台官网,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线形正规外围买球平台官网。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?;粕跤按砹瞬馐缘牡缱哟渖搞兄嫡嫱馕蚯蚱教ü偻?正规外围买球平台官网。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)正规外围买球平台官网。


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正规外围买球平台官网正规外围买球平台官网正规外围买球平台官网、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正规外围买球平台官网,其固态薄膜的微观形貌受溶液加工参数的影响相对较低正规外围买球平台官网正规外围买球平台官网,有利于获得易重复的高效率结果正规外围买球平台官网。

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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关系的散点图正规外围买球平台官网。所用给体材料为PBDB-T及其同系物时标记为红点正规外围买球平台官网;所用给体材料为其他给体材料时标记为红蓝点正规外围买球平台官网≌嫱馕蚯蚱教ü偻?正规外围买球平台官网;粕呖虻牡阄髯岳嘈推骷芯哂凶罡吖夥实谋ǖ?。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正规外围买球平台官网正规外围买球平台官网正规外围买球平台官网。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正规外围买球平台官网。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正规外围买球平台官网,推动“新受体材料”、“半透明器件”、“三元组分活性层”正规外围买球平台官网、“界面层功能调制及多结器件”等方面取得了丰硕成果正规外围买球平台官网。


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