全二維共軛側(cè)鏈氯取代聚合物太陽能電池給體材

 

　　為了進(jìn)一步提高PTB系列聚合物的能量轉(zhuǎn)化效率，南方科技大學(xué)何鳳副教授研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)聚合物全二維共軛側(cè)鏈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，在PTB7-Th部分二維共軛側(cè)鏈結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過引入噻吩取代基團(tuán)實(shí)現(xiàn)了該類材料的全二維共軛側(cè)鏈取代，得到了新型的全二維共軛側(cè)鏈取代聚合物2D-PTB-Th(圖1)。研究表明，由于全二維共軛側(cè)鏈的引入，2D-PTB-Th具有更強(qiáng)的光吸收能力，特別是在300-500納米區(qū)域內(nèi)，同時(shí)也增強(qiáng)了分子間的相互作用力。在經(jīng)過1,8-二碘辛烷(DIO)溶劑添加劑優(yōu)化處理后，基于2D-PTB-T:PC71BM的太陽能電池器件得到了9.13%的光電轉(zhuǎn)化效率，相對(duì)于PTB7-Th的太陽器件具有10%的提高，外量子效率EQE也有明顯地提高(圖2)。這項(xiàng)研究為高效有機(jī)太陽電池給體材料的進(jìn)一步突破提供了新的設(shè)計(jì)合成策略，即可通過全共軛主側(cè)鏈的協(xié)同效應(yīng)同時(shí)提高給體材料的光譜吸收以及調(diào)節(jié)聚合物分子間相互作用的雙重目的，實(shí)現(xiàn)聚合物材料能量轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提升。

 

　　

 

 

 

　　圖1. 全二維共軛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路以及聚合物2D-PTB-Th和2D-PTB-TTh的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

 

 

 

 

 

　　圖2.(a)聚合物以及受體材料PC71BM的能級(jí)圖(b)聚合物所對(duì)應(yīng)的器件的EQE的變化

 

　　此外，該團(tuán)隊(duì)在近幾年中一直專注于氯原子在聚合物太陽電池方面的應(yīng)用，相對(duì)于傳統(tǒng)廣泛使用的氟原子，氯原子具有合成相對(duì)較為容易，聚合物能級(jí)可調(diào)范圍更大等優(yōu)勢(shì)，特別是氯原子由于具有空的3d軌道賦予其和具有孤電對(duì)單元或者共軛體系具有更強(qiáng)的相互作用，能有效控制氯取代聚合物材料的聚集形貌以及分子取向，也可作為模型分子研究有機(jī)光電器件中的基本物理現(xiàn)象。

 

　　在最近的工作中，團(tuán)隊(duì)也將氯原子引入到PTB聚合物的主鏈中，得到了聚合物PBTCl，得到較低的最低占有分子軌道(HOMO)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)聚合物吸收光譜的藍(lán)移，所以當(dāng)該材料與窄帶隙的受體材料ITIC共混時(shí)，吸收光譜得到較好的互補(bǔ)，其非富勒烯太陽電池器件顯示了較大的開路電壓Voc，能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到7.57%，與PTB7-Th:ITIC器件效率相比有13%的提高。

 

　　再上述工作中由于在聚合物骨架上引入氯原子，其大原子效應(yīng)會(huì)在一定程度上減弱分子間的相互作用，不利于電荷在活性層中的傳導(dǎo)，因此該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過引入共軛的二維共軛噻吩側(cè)鏈的設(shè)計(jì)得到了全二維側(cè)鏈的氯取代聚合物2D-PBTCl和2D-PBTCl2 (圖3)，噻吩側(cè)鏈可通過共軛作用在一定程度上克服氯原子引起的位阻效應(yīng)，增強(qiáng)聚合物分子間的電荷傳輸能力，同時(shí)提高聚合物的光吸收能力，基于聚合物2D-PBTCl:ITIC的器件效率也提高到了8.81%。

 

　　

 

 

 

　　圖3. 聚合物2D-PBTCl and 2D-PBTCl2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

 

　　以上相關(guān)成果分別發(fā)表在Macromolecules (Macromolecules DOI: 10.1021/acs.macromol.7b02045), ACS Energy Letters (ACS Energy Lett., 2017, 2, 1971–1977) 和Journal of Materials Chemistry A (J. Mater. Chem. A, DOI: 10.1039/C7TA09837E)上。其中Macromolecules和Journal of Materials Chemistry A文章的第一作者為南方科技大學(xué)-北京大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生晁鵬杰，ACS Energy Lett.文章的第一作者為南方科技大學(xué)-澳門大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生王歡，通訊作者為南方科技大學(xué)化學(xué)系何鳳副教授，共同通訊作者為美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室陳偉教授。

 

　　該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中組部“青年千人計(jì)劃”、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)、南科大科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)、深圳市孔雀團(tuán)隊(duì)以及深圳市科創(chuàng)委基礎(chǔ)研究項(xiàng)目等經(jīng)費(fèi)的支持。

 

　　論文鏈接：

 

　　http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.7b02045

 

　　http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.7b00551

 

　　http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/ta/c7ta09837e