效率达到 25.5%!新型聚合物可以提高有机和钙钛矿太阳能电池的性能

2021年09月18日 阅读量:2

Skoltech 研究人员及其同事使用两种不同的化学反应合成了一种用于有机电子产品的新型共轭聚合物,并展示了这两种方法对其在有机和钙钛矿太阳能电池中的性能的影响。该论文发表在《高分子化学与物理学》杂志上。

随着世界试图向清洁和可再生能源(例如太阳能)过渡,科学家们正在努力使太阳能电池更有效地发电。有前景的方法包括两种快速发展的光伏技术,它们具有廉价的可持续太阳能发电潜力:有机太阳能电池和卤化铅钙钛矿太阳能电池。与基于晶体硅的商用太阳能电池相比,它们的主要优势是从溶液中沉积光敏层的成本低。它使能源生产更便宜,简化了印刷技术和卷对卷制造的规模化,并使设备能够在柔性和可拉伸的表面上制造。

 

然而,这些技术的广泛采用存在一些障碍。一方面,有机太阳能电池的效率还有很长的路要走。这将需要调整光敏层组成。在有机太阳能电池中,光能转换发生在由供体和受体材料的混合物组成的光敏层中——供体通常是共轭聚合物。

至于钙钛矿太阳能电池,它们的认证效率达到了惊人的 25.5%,但长期稳定性仍然是一个问题。最近的研究表明,可以通过用电荷提取层覆盖光活性钙钛矿材料来提高器件稳定性,从而提供有效的封装。在其他材料中,这种保护功能可以由共轭聚合物来实现,因此通过改进其合成来最大化其质量非常重要。

 

共轭聚合物具有多种重要应用,这促使我们研究优化其合成以提高其质量的方法,这将导致光伏器件的性能更好。我们的研究重点是一种特定类型的共轭聚合物,其中含有异靛蓝聚合物链中的单元。研究结果表明,在用于合成异靛蓝基材料的两种合成途径之间,Stille 反应应优先于 Suzuki 反应作为合成的最后一步,Skoltech 博士学生 Marina Tepliakova 解释说。

 

与来自 RAS 化学物理问题研究所的 Skoltech 教务长 Keith Stevenson 和他们的同事一起,Marina Tepliakova 合成了一种基于异靛蓝的共轭聚合物,异靛蓝染料是众所周知的靛蓝染料的异构体。该团队采用了两种常用于生产异靛蓝聚合物的合成途径:Stille 和 Suzuki 缩聚反应。

 

共轭聚合物是有机材料,通常在其结构中包含交替的供体和受体单元,这就是它们也被称为 DADAD 材料的原因。D 和 A 单元,称为单体,通过各种聚合反应连接成聚合物链,每个聚合反应都依赖于带有某些附加官能团的单体开始。对于包含异靛蓝单元作为受体组分的聚合物,有两种合成路线可用,Skoltech-IPCP RAS 团队的研究对它们进行了研究。

 

除了上述官能团的区别外,两种合成途径在所需的反应条件方面也有所不同。例如,铃木缩聚过程要求无机碱与两种单体一起存在于不混溶流体的混合物中:水和有机溶剂。相间的单体转移是通过称为转移催化剂的特殊分子实现的。Stille 反应通常在一相和升高的温度下发生。此外,这两个反应都需要钯基催化剂。

 

我们的第一个观察结果是 Suzuki 反应的标准条件与基于异靛蓝的单体合成不相容,Marina Tepliakova 评论道,使用高效液相色谱,我们观察到单体信号分解为在标准铃木条件下具有不同保留时间的一些副产物的三个不同信号。这意味着异靛类单体发生了不可逆的破坏。因此我们调整了反应条件直到它们对材料无害为止。

 

在调整铃木反应后,该团队继续使用两种途径合成聚合物。发现所得材料具有相似的分子量和光电特性。接下来,研究人员在光伏器件中测试了样品:有机和钙钛矿太阳能电池。使用 Stille 反应获得的聚合物表现出优异的性能,在钙钛矿和有机太阳能电池中的效率分别为 15.1% 和 4.1% ;铃木衍生材料的效率分别为 12.6% 和 2.7%。

 

该团队将性能差异归因于使用铃木反应获得的材料中存在所谓的电荷陷阱。使用一种称为电子自旋共振的技术证实了这一假设,该技术表明通过 Stille 途径获得的材料缺陷少五倍。

 

通过调整基于异靛蓝的单体合成方法,研究人员找到了一种方法来生产在光伏电池中表现良好的高质量材料。在后续实验中,该团队现在正在合成多种材料,以在钙钛矿太阳能电池中进行测试。即将进行的研究将阐明材料结构与设备性能之间的关系。

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