Advanced Materials:超窄带隙n型高分子半导体构筑高效全聚合物太阳能电池

得益于在近红外区域吸收上的突破,基于非富勒烯小分子受体的有机太阳能电池取得了超过16%的能量转换效率。然而,由于缺乏优秀的窄带隙n型高分子受体,全聚合物太阳能电池的能量转化效率相对较低。目前,大部分高性能高分子受体材料都是基于含酰亚胺单元构建的,主要以苝二酰亚胺(PDI)、萘二酰亚胺(NDI),以及最近合成的梯状双噻吩酰亚胺(BTIn)等为主。以最具代表性的萘二酰亚胺基n型高分子半导体N2200为例,该高分子膜的吸收峰在700 nm左右,吸光系数小于4 x 104 cm-1,吸光上的不足从而在很大程度上限制了N2200在全聚合物太阳能电池中的效率。尽管全聚合物太阳能电池相比其他类型有机太阳能电池在机械性能和器件稳定性上都具有明显的优势,但偏低的效率制约了全聚合物太阳能电池的竞争力。

在各种缺电子单元中,具有非常强拉电子能力的5,6-二氰基-2,1,3-苯并噻二唑(DCNBT)将是高性能n型高分子受体材料的重要构建单元。针对上述问题,南方科技大学材料科学与工程系郭旭岗教授课题组利用“强给体-强受体”策略,使用含氧桥联的引达省单元与DCNBT构建了两个n型高分子半导体DCNBT-TPC和DCNBT-TPIC。在固体薄膜中,DCNBT-TPC吸收峰主要集中在600-900 nm,其异构体高分子DCNBT-TPIC的吸收峰进一步红移,主要集中在600-950 nm。DCNBT-TPC和DCNBT-TPIC同时取得了超窄带隙(1.38 eV和1.28 eV)并在长波区域具有很强的吸收,打破了长期以来限制高分子受体材料在全聚合物太阳能电池中性能的瓶颈。

用DCNBT-TPC和DCNBT-TPIC制备的有机场效应晶体管后分别获得了高达1.72和0.16 cm2 V−1 s−1的电子迁移率。当使用p型高分子PBDTTT-E-T作为给体材料时,基于DCNBT-TPC制备的全聚合物太阳能电池器件获得了19.44 mA cm−2的短路电流密度和9.26%的能量转换效率;更令人欣慰的是基于DCNBT-TPIC制备的全聚合物太阳能电池器件获得了22.52 mA cm−2的短路电流密度和高达10.22%的能量转换效率。值得注意的是,基于DCNBT-TPIC的全聚合物太阳能电池是第一个使用具有超窄带隙的n型高分子受体材料取得了超过10%的能量转化效率和光响应波长达到950 nm的器件。这表明强拉电子的氰基可以用来构建超窄带隙高分子受体材料并取得了优异的器件性能,也反映了氰基能明显提升高分子半导体的n型性能,有望进一步推进全聚合物太阳能电池的能量转化效率。 相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.202001476)上,并作为当期frontispiece做简要介绍。