MRC:羰基化三联噻吩的扭曲聚合物实现高效三元有机太阳能电池

聚合物太阳能电池(PSCs)因其重量轻、柔韧性好、半透明性好、溶液可加工性好等优点而受到广泛关注。在高性能非富勒烯(NF) PSCs中,聚合物给体通常具有适中的聚集强度,这有利于与NF受体形成有效的分子轨道重叠,从而实现活性层的双连续纳米尺度相分离。然而,具有扭曲骨架的共轭聚合物在溶液中的聚集强度较弱,与NF受体较难形成有效的分子轨道堆叠,因此不利于产生双连续纳米尺度相分离。但是,扭曲共轭聚合物最突出的优点是其在普通有机溶剂中的室温溶解性较好,这有利于实现使用非卤溶剂通过卷对卷的溶液加工获得大面积器件,降低器件制备时对环境的危害,满足PSCs的商业化需求。因此,设计和合成在溶液中具有适当聚集强度的扭曲聚合物,对于实现基于扭曲共轭聚合物的高性能PSCs具有重要意义。

为了增加扭曲聚合物的聚集强度,先前中国科学院化学研究所研究工作者在弱聚集聚合物中引入羰基官能团,通过增强的分子间/分子间的相互作用,明显改善了聚合物的聚集强度,当其作为给体材料制备NF PSCs,其光伏效率大幅度提升的效率。不足的是其光伏器件的填充因子仍然较低,同时另一个问题也被提出,是否该类高溶解性的聚合物适合非卤溶剂加工?

为了解决这些科学问题,安徽理工大学材料学院薛长国与中国科学院化学研究所,设计合成了新型扭曲共轭聚合物 (P3TCO-1)。该研究团队通过在二元活性层P3TCO-1:ITIC中加入第三组份PC71BM,进一步优化了基于扭曲聚合物NF PSCs的本体异质结形貌。使用ITO /聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT / PSS)/光活性层/ PFN-Br / Al的器件结构制备PSC器件,光活性层使用氯苯溶液加工时,P3TCO-1:ITIC:PC71BM的器件效率达到11.41%,同时填充因子改善到66.78%;当光活性层使用非卤溶剂(四氢呋喃)加工时,相应的器件效率达到11.07%。这对设计高效的可用非卤溶剂加工的聚合物给体材料具有重要借鉴意义。

相关结果发表在Macromolecular Rapid Communication (DOI: DOI: 10.1002/marc.201900246)上,文章链接为https://doi.org/10.1002/marc.201900246, 或直接点击左下角阅读原文按钮进行阅读。