非富勒烯聚合物太陽能電池給體光伏材料側鏈工程研究獲進展

　　聚合物太陽能電池具有結構和制備過程簡單、成本低、重量輕、可制備成柔性器件等突出優(yōu)點，成為近年來國內外研究熱點。將富勒烯衍生物受體用n-型有機半導體材料取代，可以克服富勒烯受體存在的可見光區(qū)吸光弱、能級調控困難和形貌穩(wěn)定性差等缺點，近年來受到研究者的關注。多種性能優(yōu)異的非富勒烯型受體被設計出來，如窄帶隙n-型聚合物受體N2200和有機半導體受體ITIC。

　　中國科學院化學研究所有機固體院重點實驗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，通過側鏈工程降低了HOMO能級，增強了鏈間相互作用，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能電池的能量轉換效率達到11.4%。

　　研究人員在前期工作中發(fā)現(xiàn)，BTA單元上的兩個氫原子被氟原子取代，聚合物的HOMO能級下移0.13 eV，同時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受體吸收互補的特點，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能電池。得益于氟取代聚合物J51較低的HOMO能級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，能量轉換效率（PCE）從4.80%提高到9.26% (Adv. Mater. 2016, 28, 8288-8295)?？紤]到0.82 V的Voc仍然不夠高，研究人員根據(jù)先前的經(jīng)驗（Energy Environ. Sci. 2014, 7, 2276-2284），將硫烷基引入到BDTT單元的噻吩共軛側鏈上進一步降低了聚合物的HOMO能級，同時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。基于J61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)，通過器件進一步優(yōu)化使效率達到了10.57 % (J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 15011-15018)。

　　硅烷基側鏈在共軛聚合物光伏材料的構筑上很少受關注。盡管在有機官能團的構筑中，三甲基硅烷通常作為一種保護基團使用，但很少有人關注硅烷基鏈的電子效應。有機固體實驗室的研究人員首次在BDTT和氟取代BTA共聚物的噻吩共軛側鏈上引入硅烷基來調制聚合物的電子結構和光伏性能。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。另外，較長的C-Si鍵也讓硅原子上的三取代烷基鏈距離主鏈更遠，增加了分子的有序堆積和聚合物的結晶性。采用J71與ITIC共混制備的非富勒烯聚合物太陽能電池Voc進一步提升至0.94 V，器件效率達到11.41%。這一體系在給受體HOMO能級差只有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，這對于重新認識聚合物太陽能電池中的激子電荷分離的驅動力具有重要意義，也為將來的高效共軛聚合物給體光伏材料的分子設計提供了一種新思路和新途徑，將對有機光伏領域的發(fā)展起到促進作用。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能電池給體光伏材料的側鏈工程及其HOMO能級和器件性能