Pin mặt trời polymer toàn phần hiệu suất cao với chỉ 0.47 eV tổn thất năng lượng

Qiang Wu1, Wei Wang1, Tao Wang1, Rui Sun1, Jing Guo1, Yao Wu1, Xuechen Jiao2, Christoph J. Brabec3, Yongfang Li4, Jie Min5,1,4
1The Institute for Advanced Studies, Wuhan University, Wuhan, China
2Department of Materials Science and Engineering, Monash University; Australian Synchrotron, Clayton, Australia
3Institute of Materials for Electronics and Energy Technology (i-MEET), Friedrich-Alexander-Universität-Erlangen-Nürnberg, Erlangen, Germany
4Beijing National Laboratory for Molecular Sciences, Beijing, China
5Key Laboratory of Materials Processing and Mold, Ministry of Education, Zhengzhou University, Zhengzhou, China

Tóm tắt

Lĩnh vực pin mặt trời polymer toàn phần (all-PSCs) đã trải qua sự phát triển nhanh chóng trong vài năm qua, chủ yếu được thúc đẩy bởi sự phát triển của các chất nhận polymer hiệu quả. Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) của các pin all-PSCs vẫn bị giới hạn bởi sự hấp thụ ánh sáng không đủ của hỗn hợp cho/nhận và sự tổn thất năng lượng lớn trong các thiết bị. Chúng tôi đã thiết kế một chất nhận polymer PYT1 được xây dựng từ chất nhận phân tử kiểu n Y5-C20 làm khối xây dựng chính và trộn nó với donor polymer PM6 để thu được lớp quang hoạt toàn polymer. Các pin all-PSCs PM6:PYT1 tối ưu đã đạt được PCE kỷ lục cao hơn là 13.43% với tổn thất năng lượng rất thấp là 0.47 eV và phản ứng quang lên tới 900 nm so với thiết bị dựa trên Y5-C20 với PCE tốt nhất là 9.42%. Hơn nữa, PCE của các pin all-PSCs PM6:PYT1 tương đối không nhạy cảm với các thành phần phụ gia 1-chloronaphthalene (CN) và độ dày lớp hoạt động. Kết quả của chúng tôi cũng làm nổi bật ảnh hưởng của phụ gia CN lên hình thái học của PM6:PYT1, tức là, sự sinh ra và vận chuyển điện tích tìm thấy một sự cân bằng tối ưu, và tổn thất phát xạ và không phát xạ được giảm xuống đồng thời trong hỗn hợp. Công trình này thúc đẩy sự phát triển của các chất nhận polymer hiệu suất cao và báo hiệu một tương lai sáng hơn cho all-PSCs trong các ứng dụng thương mại.

Từ khóa

#pin mặt trời polymer #chất nhận polymer #hiệu suất chuyển đổi năng lượng #tổn thất năng lượng #nghiên cứu pin mặt trời

Tài liệu tham khảo

Cui C, Li Y. Energy Environ Sci, 2019, 12: 3225–3246

Yang J, Xiao B, Tang A, Li J, Wang X, Zhou E. Adv Mater, 2018, 31: 1804699

Guo J, Min J. Adv Energy Mater, 2019, 9: 1802521

Yuan J, Zhang Y, Zhou L, Zhang G, Yip HL, Lau TK, Lu X, Zhu C, Peng H, Johnson PA, Leclerc M, Cao Y, Ulanski J, Li Y, Zou Y. Joule, 2019, 3: 1140–1151

Xu X, Feng K, Bi Z, Ma W, Zhang G, Peng Q. Adv Mater, 2019, 31: 1901872

Cui Y, Yao H, Zhang J, Zhang T, Wang Y, Hong L, Xian K, Xu B, Zhang S, Peng J, Wei Z, Gao F, Hou J. Nat Commun, 2019, 10: 2515

Wang G, Melkonyan FS, Facchetti A, Marks TJ. Angew Chem Int Ed, 2018, 58: 4129–4142

Menke SM, Ran NA, Bazan GC, Friend RH. Joule, 2018, 2: 25–35

Huang W, Cheng P, Yang YM, Li G, Yang Y. Adv Mater, 2018, 30: 1705706

Hou J, Inganäs O, Friend RH, Gao F. Nat Mater, 2018, 17: 119–128

Kang H, Lee W, Oh J, Kim T, Lee C, Kim BJ. Acc Chem Res, 2016, 49: 2424–2434

Zhu L, Zhong W, Qiu C, Lyu B, Zhou Z, Zhang M, Song J, Xu J, Wang J, Ali J, Feng W, Shi Z, Gu X, Ying L, Zhang Y, Liu F. Adv Mater, 2019, 31: 1902899

Zhao R, Lin B, Feng J, Dou C, Ding Z, Ma W, Liu J, Wang L. Macromolecules, 2019, 52: 7081–7088

Yao H, Bai F, Hu H, Arunagiri L, Zhang J, Chen Y, Yu H, Chen S, Liu T, Lai JYL, Zou Y, Ade H, Yan H. ACS Energy Lett, 2019, 4: 417–422

Zhou N, Dudnik AS, Li TING, Manley EF, Aldrich TJ, Guo P, Liao HC, Chen Z, Chen LX, Chang RPH, Facchetti A, Olvera de la Cruz M, Marks TJ. J Am Chem Soc, 2016, 138: 1240–1251

Jung J, Lee W, Lee C, Ahn H, Kim BJ. Adv Energy Mater, 2016, 6: 1600504

Chen D, Yao J, Chen L, Yin J, Lv R, Huang B, Liu S, Zhang ZG, Yang C, Chen Y, Li Y. Angew Chem Int Ed, 2018, 57: 4580–4584

Kolhe NB, Lee H, Kuzuhara D, Yoshimoto N, Koganezawa T, Jenekhe SA. Chem Mater, 2018, 30: 6540–6548

You H, Kim D, Cho HH, Lee C, Chong S, Ahn NY, Seo M, Kim J, Kim FS, Kim BJ. Adv Funct Mater, 2018, 28: 1803613

Yang J, Xiao B, Tajima K, Nakano M, Takimiya K, Tang A, Zhou E. Macromolecules, 2017, 50: 3179–3185

Liu M, Yang J, Yin Y, Zhang Y, Zhou E, Guo F, Zhao L. J Mater Chem A, 2018, 6: 414–422

Yang J, Yin Y, Chen F, Zhang Y, Xiao B, Zhao L, Zhou E. ACS Appl Mater Interfaces, 2018, 10: 23263–23269

Li Y, Meng H, Liu T, Xiao Y, Tang Z, Pang B, Li Y, Xiang Y, Zhang G, Lu X, Yu G, Yan H, Zhan C, Huang J, Yao J. Adv Mater, 2019, 31: 1904585

Shi S, Chen P, Chen Y, Feng K, Liu B, Chen J, Liao Q, Tu B, Luo J, Su M, Guo H, Kim MG, Facchetti A, Guo X. Adv Mater, 2019, 31: 1905161

Meng Y, Wu J, Guo X, Su W, Zhu L, Fang J, Zhang ZG, Liu F, Zhang M, Russell TP, Li Y. Sci China Chem, 2019, 62: 845–850

Zhang ZG, Yang Y, Yao J, Xue L, Chen S, Li X, Morrison W, Yang C, Li Y. Angew Chem Int Ed, 2017, 56: 13503–13507

Hwang YJ, Earmme T, Courtright BAE, Eberle FN, Jenekhe SA. J Am Chem Soc, 2015, 137: 4424–4434

Wu J, Meng Y, Guo X, Zhu L, Liu F, Zhang M. J Mater Chem A, 2019, 7: 16190–16196

Li Z, Ying L, Zhu P, Zhong W, Li N, Liu F, Huang F, Cao Y. Energy Environ Sci, 2018, 12: 157–163

Kim SW, Wang Y, You H, Lee W, Michinobu T, Kim BJ. ACS Appl Mater Interfaces, 2019, 11: 35896–35903

Zhang M, Guo X, Ma W, Ade H, Hou J. Adv Mater, 2015, 27: 4655–4660

Yuan J, Zhang Y, Zhou L, Zhang C, Lau TK, Zhang G, Lu X, Yip HL, So SK, Beaupré S, Mainville M, Johnson PA, Leclerc M, Chen H, Peng H, Li Y, Zou Y. Adv Mater, 2019, 31: 1807577

Yuan J, Huang T, Cheng P, Zou Y, Zhang H, Yang JL, Chang SY, Zhang Z, Huang W, Wang R, Meng D, Gao F, Yang Y. Nat Commun, 2019, 10: 570

Yu R, Yao H, Cui Y, Hong L, He C, Hou J. Adv Mater, 2019, 31: 1902302

Jiang K, Wei Q, Lai JYL, Peng Z, Kim HK, Yuan J, Ye L, Ade H, Zou Y, Yan H. Joule, 2019, 3: 3020–3033

Huo L, Liu T, Sun X, Cai Y, Heeger AJ, Sun Y. Adv Mater, 2015, 27: 2938–2944

Moore JR, Albert-Seifried S, Rao A, Massip S, Watts B, Morgan DJ, Friend RH, McNeill CR, Sirringhaus H. Adv Energy Mater, 2011, 1: 230–240

Fabiano S, Chen Z, Vahedi S, Facchetti A, Pignataro B, Loi MA. J Mater Chem, 2011, 21: 5891–5896

Eisner FD, Azzouzi M, Fei Z, Hou X, Anthopoulos TD, Dennis TJS, Heeney M, Nelson J. J Am Chem Soc, 2019, 141: 6362–6374

Zhang ZG, Qi B, Jin Z, Chi D, Qi Z, Li Y, Wang J. Energy Environ Sci, 2014, 7: 1966

Ye L, Jiao X, Zhao W, Zhang S, Yao H, Li S, Ade H, Hou J. Chem Mater, 2016, 28: 6178–6185

Sinha SK, Sirota EB, Garoff S, Stanley HB. Phys Rev B, 1988, 38: 2297–2311

Min J, Luponosov YN, Gasparini N, Richter M, Bakirov AV, Shcherbina MA, Chvalun SN, Grodd L, Grigorian S, Ameri T, Ponomarenko SA, Brabec CJ. Adv Energy Mater, 2015, 5: 1500386

Rau U. Phys Rev B, 2007, 76: 085303

Deibel C, Strobel T, Dyakonov V. Adv Mater, 2010, 22: 4097–4111

Sun R, Guo J, Wu Q, Zhang Z, Yang W, Guo J, Shi M, Zhang Y, Kahmann S, Ye L, Jiao X, Loi MA, Shen Q, Ade H, Tang W, Brabec CJ, Min J. Energy Environ Sci, 2019, 12: 3118–3132

Wang Y, Qian D, Cui Y, Zhang H, Hou J, Vandewal K, Kirchartz T, Gao F. Adv Energy Mater, 2018, 8: 1801352