四川大學彭強教授課題組 Angew：非常規氨基甲酸酯側鏈用于聚合物太陽能電池給體材料
2022-10-23 來源：高分子科技
在綠色能源領域，聚合物太陽能電池有著巨大的發展潛力。其感光活性層材料的發展對于進一步提升聚合物太陽能電池的器件性能具有重要意義。側鏈工程是聚合物給體材料重要的設計策略之一。一方面，側鏈可以改善材料的溶解性；另一方面，側鏈上引入雜原子可以調節材料的分子軌道能級，并通過非共價鍵作用構建分子內構象鎖，增強分子間相互作用，進一步提高器件性能。近日，四川大學彭強教授團隊通過非常規側鏈工程實現了高達18.76%的聚合物太陽能電池能量轉換效率，該工作以“Wide Bandgap Polymer Donors Functionalized with Unconventional Carbamate Side Chains for Polymer Solar Cells”為題發表在《Angew. Chem. Int. Ed.》上（DOI：10.1002/anie.202213252）。文章第一作者為四川大學化學工程學院碩士研究生唐潔，通訊作者為四川大學化學工程學院于立揚副研究員和彭強教授。該研究得到國家自然科學基金委的支持。
他們將氨基甲酸酯側鏈引入基于苯并二噻吩（BDT）的聚合物給體材料中，構建了新型聚合物給體PTzTz-N，其分子設計如上圖所示。通過在噻吩π橋上引入氨基甲酸酯側鏈，利用氨基甲酸酯側鏈中的等性sp2雜化N原子上的H原子和并噻唑中不等性sp2雜化N原子之間的N···H次級鍵作用在噻吩π橋與并噻唑（TzTz）受體基團之間形成一個六元環平面，增強了聚合物骨架的平面性，增大了聚合物受體的共軛面積，在與BTP-eC9匹配構件的聚合物太陽能電池中，器件展現出較高的短路電流和填充因子，實現了15.24%的能量轉換效率。
在后續研究中，該團隊進一步將PTzTz-N引入高性能D18:CTP-eC9混合物，構建了三混器件。與D18:BTP-eC9兩混器件相比，三混器件具有更高效的激子解離效率、更平衡的電荷傳輸能力、更低的電荷復合概率和更高的填充因子。因此，能量轉換效率從D18:BTP-eC9兩混器件的17.94%顯著提升至D18:PTzTz-N:CTP-eC9三混器件的18.76%。
器件效率的提升主要得益于帶有非常規氨基甲酸酯側鏈聚合物PTzTz-N的引入對薄膜的納米結構實現的微調。PTzTz-N與D18表面能相近，可以實現較好的混合，給體混合物中的混合熵可以抑制薄膜內各種材料的結晶過程。相比于D18:BTP-eC9，PTzTz-N的加入抑制了在三混薄膜中D18纖維的過度生長和BTP-eC9大尺度晶體的形成，從而獲得了更優異的納米相分離尺度，提高了器件光電流生成能力。
這一工作展現了通過非常規側鏈引入分子構象鎖從而構建高效給體聚合物材料的有效途徑。同時也展示了給體聚合物合金在提高聚合物太陽能電池能量轉換效率上的巨大潛力。
他們將氨基甲酸酯側鏈引入基于苯并二噻吩（BDT）的聚合物給體材料中，構建了新型聚合物給體PTzTz-N，其分子設計如上圖所示。通過在噻吩π橋上引入氨基甲酸酯側鏈，利用氨基甲酸酯側鏈中的等性sp2雜化N原子上的H原子和并噻唑中不等性sp2雜化N原子之間的N···H次級鍵作用在噻吩π橋與并噻唑（TzTz）受體基團之間形成一個六元環平面，增強了聚合物骨架的平面性，增大了聚合物受體的共軛面積，在與BTP-eC9匹配構件的聚合物太陽能電池中，器件展現出較高的短路電流和填充因子，實現了15.24%的能量轉換效率。
在后續研究中，該團隊進一步將PTzTz-N引入高性能D18:CTP-eC9混合物，構建了三混器件。與D18:BTP-eC9兩混器件相比，三混器件具有更高效的激子解離效率、更平衡的電荷傳輸能力、更低的電荷復合概率和更高的填充因子。因此，能量轉換效率從D18:BTP-eC9兩混器件的17.94%顯著提升至D18:PTzTz-N:CTP-eC9三混器件的18.76%。
器件效率的提升主要得益于帶有非常規氨基甲酸酯側鏈聚合物PTzTz-N的引入對薄膜的納米結構實現的微調。PTzTz-N與D18表面能相近，可以實現較好的混合，給體混合物中的混合熵可以抑制薄膜內各種材料的結晶過程。相比于D18:BTP-eC9，PTzTz-N的加入抑制了在三混薄膜中D18纖維的過度生長和BTP-eC9大尺度晶體的形成，從而獲得了更優異的納米相分離尺度，提高了器件光電流生成能力。
這一工作展現了通過非常規側鏈引入分子構象鎖從而構建高效給體聚合物材料的有效途徑。同時也展示了給體聚合物合金在提高聚合物太陽能電池能量轉換效率上的巨大潛力。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202213252
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（責任編輯：xu）
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