Solar RRL:利用烷硫基硒酚侧链工程策略构筑高性能宽带隙聚合物给体材料

近年来,非富勒烯受体材料克服了传统富勒烯衍生物制备成本高、在可见光区光谱吸收弱、能级不易调控、活性层形貌稳定性差等缺点,在有机太阳能电池领域引起了广泛的研究兴趣,推动了电池效率的不断攀升。以ITIC及其衍生物为代表的一系列窄带隙非富勒烯小分子受体由于具有高电子迁移率、在500-850nm范围有强的光谱吸收以及多样化的能级排列等,已成为非富勒烯太阳能电池受体材料的研究热点。因此,为了进一步提升有机太阳能电池的光电转换效率,发展光谱匹配的高性能宽带隙聚合物给体材料日益受到重视。其中,基于苯并二噻吩-苯并氮三唑(BDT-TAZ)系列的宽带隙聚合物在非富勒烯器件中表现出卓越的光伏性能。科学家们通过噻吩侧链工程策略(如:J61、J71、J81等)进一步优化和提升了该类宽带隙聚合物给体材料的光伏性能。硒酚作为噻吩的类似物,具有低芳香性、基态更稳定的醌式结构等优点,曾作为共轭π桥和给体单元构筑了优异的给体聚合物,提高了其平面性和共轭程度,增加了分子间相互作用,提高了器件的载流子迁移率和光伏性能。但是硒酚作为共轭侧链用于构筑给体(D)-受体(A)型宽带隙聚合物给体材料却鲜有报道。

近期,四川大学化学学院彭强教授课题组通过侧链工程策略,在BDT给体骨架上分别引入二维烷基硒酚和烷硫基硒酚共轭侧链,并与双氟代苯并氮三唑受体单元共聚,成功制备了两个基于BDT-TAZ的宽带隙聚合物给体材料(PBDT-Se-TAZ和PBDTS-Se-TAZ)。与含烷基硒酚侧链的PBDT-Se-TAZ相比,烷硫基硒酚侧链的引入使得PBDTS-Se-TAZ具有更低的HOMO能级水平和更为规整的分子排列,光谱吸收性能也显著增加。与ITIC共混时,活性层形貌获得了非常理想的纳米相分离,因此大幅提高了其非富勒烯器件的载流子迁移率和激子分离传输效率。基于PBDTS-Se-TAZ的器件最终获得了19.51 mA cm-2的高短路电流和75.1%的高填充因子,能量转换效率也提升至12.31%。该工作的研究结果表明,烷硫基修饰的硒酚侧链可成功用于高效设计D-A型宽带隙聚合物给体材料,从而有效提升非富勒烯太阳能电池的短路电流和填充因子,进而提升器件的能量转换效率。

相关工作发表在Solar RRL (DOI: 10.1002/solr.201800186)上。