Advanced Energy Materials:一石二鸟:通过简单的化学方法制备低成本高效率的苯并三氮唑基的聚合物太阳能电池

聚合物太阳能电池已经得到快速发展,实验室光电转换效率突破18%。这样的高效率展示出商业化应用的极大潜力。对于研究者来说,为了追求高效率,合成的材料(包括聚合物给体和小分子受体)较少考虑其成本因素。而适合工业化生产的材料(如聚(3-己基噻吩))却因性能较差,限制它的进一步发展。因此,寻找一种能实现化学合成成本低、光电转化效率高的方法是聚合物太阳能电池商业化的重要挑战。

北京航空航天大学化学学院霍利军课题组为了兼顾材料的低合成成本和高光电转化效率,利用空间位阻效应来调节烷基侧链的朝向,平衡了聚合物的结晶性和与受体的相容性,制备出高效率的三氮唑基聚合物太阳能电池。相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI:10.1002/aenm.202002142)上。

由于现在较好的给体聚合物材料普遍选择苯并二噻吩作为给电子组分,而共轭侧链的卤化作用可以进一步增加分子间的相互作用,提高分子结晶性,实现更高的电荷迁移率和能量转化效率。但是复杂的合成方法限制了卤化苯并二噻吩材料的商业化应用。同时,共轭侧链的引入通常会使用昂贵的有机锂试剂,且需要在很低的温度状态下反应,进一步限制了此类材料的工业化生产。该研究团队在引入侧链时没有选择用有机锂试剂,而是选择用低价位的有机镁将取代基制成格氏试剂,常温下获得了较高产率的目标产物。同时,通过调节烷基侧链的朝向,将“位阻诱导相容性”(steric effect-induced miscibility (SEIM))的分子设计策略得以贯彻和实施,实现了聚合物结晶性的微调和与受体共混后相容性的改善。从活性层器件结果来看,邻位侧链的三氮唑聚合物比对位侧链三氮唑聚合物有更平衡的电荷传输能力和光伏性能。这表明空间位阻效应对强结晶性聚合物可以起到调节微相分离和改善相容性的作用,从而实现低制造成本和高光电转化效率的双赢局面。