Advanced Materials:苯并[1,2-b:4,5-c’]二噻吩-4,8-二酮类聚合物给体材料

噻吩并[3,4-b]噻吩(TT)单元因其具有醌氏共振结构,使分子具有较好的平面,从而增强分子间的相互作用。同时基于TT单元的聚合物可以拓宽分子的吸收光谱,使吸收光谱向长波长范围延伸。含有TT单元的代表性的聚合物给体PTB7在富勒烯时代获得了7.4%的世界纪录效率。随后,具有二维侧链结构的PTB7-Th与ITIC共混,将聚合物太阳能电池的效率提高到6.8%,使非富勒烯聚合物太阳能电池取得了突破性进展。衡量太阳能电池性能的关键指标是其能量转化效率,因此通过设计合成新的聚合物来提高电池的转化效率成为研究的关键。最近, 南方科技大学化学系何凤和合作者通过Friedel-Crafts酰基化反应,在TT的基础上嵌入了1,4-环己二酮制备了高缺电稠环中心核TTDO。然后通过Stille偶联和溴化合成了新的受体单元TO,进一步制备了新的聚合物给体PBTT-F。与TT单元的合成相比,TTDO的合成不仅简单,而且产率高;此外,TTDO在继承了TT单元的醌氏共振的基础上,又进一步提高了吸电子能力,有利于增强D-A型聚合物分子内的电荷转移。他们通过密度泛函理论(DFT)在B3LYP/6–31G*(d,p)基组水平上对设计合成的TTDO和聚合物PBTT-F进行了分子模拟。计算结果发现,与BDTO相比,TTDO的吸收光谱发生了明显红移。实际测得的吸收光谱与理论计算所得的结果类似。从单晶结果发现,在垂直投射的视角下,TTDO可以明显观察到部分的重叠,而在BDTO分子上,几乎没有任何重叠。从侧面观察,首先TTDO的偏离角为47°,比BDTO的要大;其次,TTDO分子间的距离比BDTO的小,这些结果表明TTDO分子间的相互作用强于BDTO,很好地解释了TTDO光谱红移的原因。

选取与PBTT-F吸收互补能级匹配的受体材料Y6共混制备了单节反向器件,可获得16.1%的器件效率。值得注意的是PBTT-F:Y6共混膜厚度增加至190 nm时,器件仍能保持高于14%的效率,这对聚合物太阳能电池的大面积制备具有重要意义。其次,器件也呈现出良好的稳定性,在700小时后依然测得14.8%的效率。TEM图显示PBTT-F:Y6混合膜具有明显的相分离区域,每一个区域之间有二维连续的纤维网络结构相互连接。在每一个区域中又有明显的相分离和纳米纤维结构,这将有助于激子的分离和载流子的传输,有利于提高电流密度和填充因子。该研究还针对PBTT-F在不同界面和受体材料的器件性能进行了仔细研究,结果证明PBTT-F对不同的受体材料和界面都具有很好的普适性。

该工作表明苯并[1,2-b:4,5-c’]二噻吩-4,8-二酮类聚合物是一类非常有潜力的聚合物给体材料,为目前众多的受体材料提供了一种新的给体选择,同时也为聚合物给体的设计提供了新的思路与借鉴。相关论文以“Benzo[1,2-b:4,5-c’]dithiophene-4,8-dione-based Polymer Donor Achieving an Efficiency over 16%”为题在材料领域顶级期刊Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.201907059)上在线发表。