非富勒烯聚合物太陽(yáng)能電池給體光伏材料側(cè)鏈工程研究獲進(jìn)展

　　聚合物太陽(yáng)能電池具有結(jié)構(gòu)和制備過程簡(jiǎn)單、成本低、重量輕、可制備成柔性器件等突出優(yōu)點(diǎn)，成為近年來國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。將富勒烯衍生物受體用n-型有機(jī)半導(dǎo)體材料取代，可以克服富勒烯受體存在的可見光區(qū)吸光弱、能級(jí)調(diào)控困難和形貌穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，近年來受到研究者的關(guān)注。多種性能優(yōu)異的非富勒烯型受體被設(shè)計(jì)出來，如窄帶隙n-型聚合物受體N2200和有機(jī)半導(dǎo)體受體ITIC。

　　中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李永舫課題組研究人員發(fā)展了一系列基于噻吩取代苯并二噻吩(BDTT)與苯并三氮唑(BTA)單元的中間帶隙二維共軛聚合物給體材料，通過側(cè)鏈工程降低了HOMO能級(jí)，增強(qiáng)了鏈間相互作用，提高了空穴遷移率。使基于這類聚合物為給體、ITIC為受體的非富勒烯聚合物太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到11.4%。

　　研究人員在前期工作中發(fā)現(xiàn)，BTA單元上的兩個(gè)氫原子被氟原子取代，聚合物的HOMO能級(jí)下移0.13 eV，同時(shí)空穴遷移率顯著提高（Chem. Mater. 2012, 24, 3247-3254）。利用這類聚合物在可見-近紅外區(qū)與ITIC受體吸收互補(bǔ)的特點(diǎn)，制備了以這類聚合物為給體、ITIC為受體的非富勒烯聚合物太陽(yáng)能電池。得益于氟取代聚合物J51較低的HOMO能級(jí)和較高的空穴遷移率，與無氟取代的聚合物J50相比，基于J51器件的開路電壓(Voc)從0.71 V提高到0.82 V，能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）從4.80%提高到9.26% (Adv. Mater. 2016, 28, 8288-8295)。考慮到0.82 V的Voc仍然不夠高，研究人員根據(jù)先前的經(jīng)驗(yàn)（Energy Environ. Sci. 2014, 7, 2276-2284），將硫烷基引入到BDTT單元的噻吩共軛側(cè)鏈上進(jìn)一步降低了聚合物的HOMO能級(jí)，同時(shí)還使其吸收光譜紅移。另外還發(fā)現(xiàn)所得聚合物J61更有利于采取平行于襯底方向的分子排列，這些因素都有利于提升光伏性能?；贘61與ITIC的器件Voc和PCE分別提高到約0.9 V和9.52% (J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 4657-4664)，通過器件進(jìn)一步優(yōu)化使效率達(dá)到了10.57 % (J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 15011-15018)。

　　硅烷基側(cè)鏈在共軛聚合物光伏材料的構(gòu)筑上很少受關(guān)注。盡管在有機(jī)官能團(tuán)的構(gòu)筑中，三甲基硅烷通常作為一種保護(hù)基團(tuán)使用，但很少有人關(guān)注硅烷基鏈的電子效應(yīng)。有機(jī)固體實(shí)驗(yàn)室的研究人員首次在BDTT和氟取代BTA共聚物的噻吩共軛側(cè)鏈上引入硅烷基來調(diào)制聚合物的電子結(jié)構(gòu)和光伏性能。研究發(fā)現(xiàn)，得益于硅原子σ*與芳香體系上π軌道的相互作用，所得聚合物J71具有更低的HOMO能級(jí)。另外，較長(zhǎng)的C-Si鍵也讓硅原子上的三取代烷基鏈距離主鏈更遠(yuǎn)，增加了分子的有序堆積和聚合物的結(jié)晶性。采用J71與ITIC共混制備的非富勒烯聚合物太陽(yáng)能電池Voc進(jìn)一步提升至0.94 V，器件效率達(dá)到11.41%。這一體系在給受體HOMO能級(jí)差只有0.11 eV的情況下仍然獲得了高效的受體激子電荷分離，從而獲得了兼具高的開路電壓和高的短路電流的光伏器件，這對(duì)于重新認(rèn)識(shí)聚合物太陽(yáng)能電池中的激子電荷分離的驅(qū)動(dòng)力具有重要意義，也為將來的高效共軛聚合物給體光伏材料的分子設(shè)計(jì)提供了一種新思路和新途徑，將對(duì)有機(jī)光伏領(lǐng)域的發(fā)展起到促進(jìn)作用。該工作已在《自然-通訊》發(fā)表 (Nat. Commun. 2016, 7, 13651)。

　　圖：非富勒烯聚合物太陽(yáng)能電池給體光伏材料的側(cè)鏈工程及其HOMO能級(jí)和器件性能