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華僑大學黃劍華博士課題組《Adv. Mater.》:在新型聚合物受體材料設計合成領域取得重要進展
2019-09-28  來源:高分子科技

  全聚合物太陽能電池器件是由一種p型(電子給體)聚合物和一種n-型(電子受體)聚合物共混形成異質結作為活性層。與小分子材料相比,聚合物材料具有較強的太陽光吸收能力、良好的加工成膜性、機械柔韌性和相分離特性。因此,全聚合物太陽能電池材料和器件受到廣泛研究。目前已報道全聚合物太陽能電池器件的最高效率為11-12%左右。然而,目前能實現較高效率的受體聚合物材料種類非常有限。效率能超過8.0%的聚合物受體主要是基于酰亞胺類和氰基乙烯茚酮類這兩大類聚合物材料。有限的受體材料選擇空間極大地限制了全聚合物太陽能電池的發展。因此,開發新型高效聚合物受體材料對于推動全聚合物太陽能電池發展具有重要意義。

  黃劍華博士及其課題組自2015年以來,一直致力于開發含硼氮配位鍵(B←N)的新型缺電子單元并構筑高效聚合物受體材料。Sp2雜化的B元素有一個空的p軌道,具有得到電子的能力,為Lewis酸,是強缺電子中心,可與芳香N原子(Lewis堿)上的孤對電子配位。這種經典的Lewis酸-堿配位作用可以將B缺電子中心引入含芳香N的共軛體系,從而獲得新型缺電子單元并構筑聚合物受體材料。在前期的工作中,他們系統的研究了分子間B←N作用對含芳香N共軛分子的能級、帶隙和吸收光譜的調控(圖1a, Dyes Pigm., 2018, 153, 1; New J. Chem., 2018, 42, 18961)。在此基礎上,他們將B←N鍵引入共軛骨架,得到一系列含B←N鍵的剛性共軛分子(圖1b, Tetrahedron, 2018, 74, 4308)。但是由于B的缺電子性過強,導致這類單元容易與水分子結合而不穩定。

圖1. 含B←N鍵聚合物設計思路:(a)分子間B←N作用調控光電性質;(b)B←N鍵引入共軛骨架;(c)側位苯基化提高化學穩定性;(d)構筑含B←N鍵新型共軛聚合物BN-T和BN-2fT

  最近,他們通過在B缺電子中心引入兩個苯基,通過苯基的共軛作用將B缺電子中心穩定化,從而得到一類化學穩定、骨架剛性、能級低、電子親和力強、寬吸收的新型缺電子單元BNIDT(圖1c)。單晶結構數據顯示,BNIDT分子骨架呈現良好的平面性,分子間最小距離為3.757 ?,且有較強的S…H和C…H相互作用力。這些結構特征有利于載流子在骨架之間有效傳輸。另一方面,B上的兩個苯基垂直于共軛平面,形成較大的位阻,阻礙了分子間過度聚集,將其用于構筑聚合物受體材料有利于形成較好的相分離結構。

圖2. BNIDT單元的單晶結構

  進一步他們將BNIDT單元分別與噻吩及3,4-二氟噻吩共聚,構筑了兩個含B←N鍵的新型共軛聚合物BN-T和BN-2fT(圖1c)。通過光電性質表征發現,這類聚合物在350—550 nm 和 550—800 nm出現兩個寬的吸收帶,同時表現出強的電子親和能(3.7~3.8 eV)。薄膜場效應晶體管(OTFTs)測試表明,這類聚合物表現出雙極性電荷傳輸特性,電子空穴遷移率均為10-3~10-2 cm2/Vs。選擇一個商業化的聚合物PBDB-T作為給體分別與BN-T和BN-2fT匹配制備全聚合物太陽能電池。通過器件優化,基于PBDB-T: BN-T為活性層的器件表現出4.03%的最優效率。而以BN-2fT為受體的全聚合物器件表現出8.78%的光電轉化效率,其中,填充因子達到70.4%。這是目前除酰亞胺類和氰基乙烯茚酮類聚合物以外的受體聚合物材料中表現出的最高效率。該研究拓寬了高效率聚合物受體材料的種類,其分子設計思路對新型高效聚合物受體材料的設計合成具有重要參考意義。BNIDT單元成為一類極具潛力的新型缺電子單元,為新型高效聚合物受體材料的合成提供構筑單元。

圖3. 基于PBDB-T: BN-2fT為活性層的全聚合物太陽能電池表現出8.78%的效率

  該工作最近發表在Adv. Mater. (2019, DOI: 10.1002/adma.201904585)上。論文是由華僑大學與中科院化學所、香港科技大學和香港中文大學等單位合作完成。第一作者為華僑大學材料學院已畢業研究生李永春。材料學院在讀研究生孟慧峰為共同第一作者。通訊作者為黃劍華博士。中科院化學所詹傳郎研究員、香港科技大學劉燾博士顏河教授為共同通訊作者。

  論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201904585

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