Advanced Materials:结构规整的聚合物受体助力全聚合物太阳能电池效率突破15%

聚合物太阳能电池(PSC)凭借其轻巧,柔韧性,半透明性以及低成本大面积制造的潜力,近几年来吸引了研究者和产业界的广泛关注。受益于受体-给体-受体(A–D–A)型小分子受体(SMA)的出现,基于聚合物给体和AD–A–A型SMA的PSC实现了功率转换效率(PCE)超过17%。与基于SMA的PSC不同,全聚合物太阳能电池(all-PSC)的光敏层由聚合物给体和聚合物受体组成,具有独特的功能,例如优良的热稳定性、形态稳定性、拉伸性和机械耐久性。但是,目前全聚合物太阳能电池的PCE通常都落后于基于SMA的PSC,原因之一是由于缺乏高性能的聚合物受体。在2017年之前,最常见的缺电子单元包括二酰亚胺(PDI),萘二酰亚胺(NDI),联噻吩酰亚胺(BTI),和B←N桥联吡啶(BN-Py)。但是,基于这些单元的聚合物受体或多或少地存在一些缺点,例如基于PDI,NDI和BTI的聚合物受体的吸收强度弱,基于BN-Py的聚合物的电子迁移率低。2017年,Li和Zhang等人采用“ SMA聚合”策略开发了一种新型的窄带隙聚合物受体PZ1,该受体同时具有高迁移率和大吸收系数,全聚合物太阳能电池PCE达到9.19%。随后,通过筛选共聚单元,例如噻吩,苯并二噻吩,双硫代[3,2-b:2’,3′-d]甲硅烷基,开发了一系列高性能聚合SMA。

尽管聚合SMA取得了长足进步,但在聚合物受体的性能和一致性方面仍需要解决一个重要问题:溴化1,1-二氰基亚甲基-3-茚满酮(IC-Br)的区域异构问题,其中IC是聚合SMA中使用最广泛的末端单元。已知ICBr是极性相似的两种异构体的混合物,很难分离。因此,以ICBr为末端单元的SMA是三种异构体的混合物,这严重影响了聚合SMA的批次间可重复性,导致不同批次的理化性质和形态学性质有所不同,最终导致PSC的器件效率差异很大。

深圳大学杨楚罗教授课题组和香港科技大学颜河教授课题组通过不同溶剂的重结晶成功分离了两个单溴末端单元,即IC-Br(in)和IC-Br(out)(其中“ in”和“ out”表示溴和羰基分别位于同一侧和相对侧)。之后,合成了具有两个溴化SMA,它们的骨架类似于SMA Y5。最终,通过典型的Stille偶联缩聚反应获得了两个具有不同聚合位点的聚合物受体PY-IT和PY-OT(图1b)。为了深入了解混合异构体对光电性能和光伏性能的影响,我们还通过具有相同比率的两个受体的无规三元共聚策略合成了聚合物PY-IOT。从PY-OT,PY-IOT到PY-IT,吸收边逐渐红移,最低的未占用分子轨道(LUMO)值略有下降,并且电子迁移率稳定增加。基于PM6:PY‐IT的最佳全聚合物太阳能电池器件PCE突破15.05%,明显高于基于PY-OT(PCE = 10.04%)和PY-IOT(PCE = 12.12%)的器件效率。我们的工作表明,单溴化A–D–A SMA的纯化是开发用于全聚合物太阳能电池的聚合物受体的有效方法。 相关工作在线发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/ adma.202005942)上。