华侨大学新型聚合物光伏受体材料实现全聚合物太阳电池8.78

近日，华侨大学材料学院黄剑华博士课题组近日在“新型高效聚合物光伏受体材料设计合成”领域取得重要进展，相关研究成果以“8.78% Efficient All-Polymer Solar Cells Enabled by Polymer Acceptors Based on A B←N Embedded Electron-Deficient Unit”为题发表于《Advanced Materials》。《Advanced Materials》是德国Wiley出版社旗下的顶级期刊，当前影响因子为25.809。

目前，全聚合物太阳电池器件的最高效率为11%到12%左右。当前报道的能够实现高效率（> 8%）的聚合物光伏受体材料种类非常有限，全部都是基于两大类电子构筑单元（图一）：一类是酰亚胺类如萘酰亚胺（NDI）、苝酰亚胺（PDI）等经典的染料分子；另一类是基于二氰基乙烯类（IDIC）缺电子单元。有限的材料选择空间极大限制了全聚合物太阳电池的发展。设计全新结构的缺电子单元，并构筑高效聚合物受体材料，对全聚合物太阳电池发展具有重要意义。

图一：文献报道高效率（> 8%）聚合物受体材料的构筑单元

鉴于此，该研究设计合成了一类含B←N配位键的新型缺电子单元BNIDT。通过对该单元的研究发现，这是一个强缺电子单元，具有强的电子亲和性、良好的骨架平面性和较强的分子间作用力。进一步利用这个新型单元与噻吩和3 4-二氟噻吩共聚，得到两个新型共轭聚合物BN-T和BN-2fT。通过光电性质表征发现，这类聚合物在可见区有很宽的吸收带，一直延伸到近红外区。最低空轨道（LUMO）能级在-3.8 eV左右。薄膜场效应晶体管（OTFT）测试表明，聚合物表现出双极性电荷传输特性，电子和空穴迁移率均在10-3-10-2 cm2/Vs。这些性质表明这类基于BNIDT的聚合物具备了用作太阳能电池受体材料的基本条件。选择一个商业化的聚合物PBDB-T作为给体材料，分别与BN-T和BN-2fT共混制备全聚合物太阳电池器件。通过常规的器件优化，如给受体（D/A）比例优化、添加剂优化和热退火优化等，得到基于PBDB-T: BN-2fT的全聚合物太阳电池的最佳效率为8.78%，其中填充因子达到70.4%（图二）。这个效率是除酰亚胺和二氰基乙烯类聚合物以外的最高效率。这个工作拓宽了新型高效聚合物受体材料的种类，其分子设计理念对高效聚合物材料开发具有重要启发意义。基于BNIDT这类共轭聚合物成为一类非常有前景的新型聚合物受体材料。

图二：本研究开发的新型聚合物BN-2fT分子结构及其与PBDB-T为活性层制备全聚合物太阳电池效率达到8.78%

该研究工作是以我校作为第一通讯单位，与中科院化学所、香港科技大学、香港中文大学等单位合作完成。材料学院2016级研究生李永春（已毕业）为第一作者，在读研究生孟慧峰为共同第一作者，黄剑华博士为第一通讯作者，中科院化学所詹传郎研究员、香港科技大学刘焘博士、颜河教授为共同通讯作者，材料学院学生李雨晴、庞博、向莹均对论文有贡献。研究得到了国家自然科学基金和华侨大学校级基金的资助。

来源 华侨大学

论文链接：

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

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