一类用于制备高效非富勒烯光伏器件的宽带隙聚合物给体新材料-萘并双喹喔啉类D-A共轭聚合物

有机聚合物太阳能电池由于成本低、质量轻、可大面积制备柔性器件等优势,成为能源领域的研究热点。在过去很长的时间里,富勒烯衍生物作为受体材料在有机聚合物太阳能电池中一直占据主导地位。但是,富勒烯类受体材料具有明显的不足,例如:材料的制备成本高,材料的纯化难,在可见光区吸收弱,能级调控难,活性层形貌稳定性差等。近年来,非富勒烯受体材料的出现有效克服了富勒烯类受体材料的缺点,器件效率已经完全可以媲美甚至超过了富勒烯器件。要获得高性能的非富勒烯器件,活性层中给、受体材料必须具备良好的光谱互补吸收和能级匹配。从材料的角度来讲,除了发展高性能的受体材料外,设计具有合适光谱吸收和能级水平的聚合物给体材料对于器件效率的提高同样关键。给体(D)-受体(A)交替型共轭聚合物具有独特的“推-拉”电子结构,能够有效促进分子内的电荷转移,从而理性调控其能带隙、前线轨道能级以及光谱捕捉能力,近年来已成为高性能聚合物给体材料的设计主流。但是,文献已报道的面向非富勒烯光伏器件的D-A共轭聚合物光谱吸收性能仍然不能令人满意,特别是在短波长处的吸收(300-500 nm)相对较弱。基于目前性能最好的稠环非富勒烯受体分子(例如:ITIC、IEIC等)多数具有较窄的能带隙,因此迫切需要发展在短波长区域具有强吸收、能级与之匹配的宽带隙D-A共聚物给体材料。

AFM-pengqiang

最近,四川大学彭强课题组设计合成了一类结构新颖的基于萘并双喹喔啉(NQx)受体结构单元的宽带隙聚合物给体材料(PBDT-NQx和PBDTS-NQx),并成功用于高性能非富勒烯太阳能电池器件的制备。NQx是喹喔啉(Qx)的共轭拓展衍生结构,具有优于Qx的独特的电子结构和性能。通过在萘并双喹喔啉上引入二维结构的烷基噻吩共轭侧链,可以显著增强侧链和主链之间的π-π*作用,进而改善聚合物在短波长区域内(300-500nm)的光谱吸收强度。该工作还研究了苯并二噻吩(BDT)弱给体构筑单元上的不同二维结构共轭侧链对于材料分子间相互作用、光谱吸收、能级水平等的影响规律。将所发展的NQx类聚合物给体与ITIC共混,活性层薄膜在300-800 nm区域内展示了宽强的吸收光谱。基于这类活性层所制备的非富勒烯太阳能电池(倒置结构),PBDT-NQx:ITIC器件的效率为9.11%,而PBDT-NQx:ITIC器件的效率更是高达11.47%。该课题组通过各种研究手段详细探讨了获得器件高性能的原因,为进一步设计面向非富勒烯光伏器件的高性能、宽带隙聚合物给体材料提供了理论依据。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201701491)上。

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