Advanced Materials:高效率含B←N键的聚合物光伏受体材料

全聚合物太阳能电池器件采用一种聚合物给体和一种聚合物受体共混作为活性层材料。由于聚合物材料具有大共轭、宽吸收、机械柔性、良好的加工成膜性等优点,使得全聚合物太阳能电池材料与器件引起了人们极大的研究兴趣。目前高效率的聚合物给体材料已经得到广泛开发并有一系列商业化产品。然而,高效聚合物受体材料种类却十分有限。目前能实现8.0%以上高效率的聚合物受体大多是由萘酰亚胺(NDI)和苝酰亚胺(PDI)等经典的缺电子单元构筑而成。有限的聚合物受体材料限制了全聚合物太阳能电池的发展。设计新型缺电子单元并构筑高效聚合物受体可拓展高性能聚合物受体材料库,有助于推动全聚合物太阳能电池的发展。

华侨大学材料科学与工程学院的黄剑华和合作者针对这一问题开发出一类含B←N键的新型缺电子单元BNIDT。该单元具有化学稳定、骨架刚性、能级低、吸收光谱宽等特点,且具有良好的单晶结构。进一步将BNIDT分别与噻吩和3,4-二氟噻吩共聚合,得到两个含B←N键的新型共轭聚合物BN-T和BN-2fT。光物理和电化学性质测试表明,这类聚合物表现出很宽的可见光吸收带,在350-550 nm和550-800 nm出现两个宽吸收峰。BN-T和BN-2fT的最低空轨道能级(LUMO)分别为-3.85 eV和3.77 eV,最高占有轨道能级(HOMO)分别为-5.43 eV和-5.71 eV。这与大部分高效率的聚合物给体材料能级匹配。通过薄膜场效应晶体管(OTFTs)测试表明BN-T和BN-2fT均表现出双极性电荷传输性能,即既能传输空穴,又能传输电子,且空穴和电子迁移率均为10-3~10-2 cm2/Vs. 进一步通过理论计算发现,这类含B←N键的共轭聚合物骨架表现出(+)表面静电位,表明其具有较强的电子亲和力。选择商业化的聚合物PBDB-T作为给体材料,分别与BN-T和BN-2fT匹配制备全聚合物太阳能电池器件。基于BN-T的器件表现出4.03%的效率。而基于BN-2fT的全聚合物器件光电转换效率达到8.78%,其中填充因子高达70.4%。这是目前除酰亚胺类和氰基乙烯茚酮类聚合物以外的受体聚合物材料中表现出的最高效率。

该研究开发的BNIDT单元及其构筑的聚合物材料成为继PDI和NDI类聚合物材料以外的一类全新高性能聚合物受体材料,拓宽了高性能聚合物受体材料库。BNIDT单元成为一类极具潜力的新型缺电子单元,为高效聚合物受体材料的合成提供构筑子。相关结果发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201904585)上。