Advanced Energy Materials:合理调节萘并二呋喃基聚合物构象实现超过14%光伏效率的单结有机太阳能电池

有机太阳能电池已经得到快速发展,能量转换效率突破18%,达到初步商业化水平。其中,p型半导体材料的革新起到了至关重要的作用。近几年,大多数优秀的聚合物给体材料主要是以苯并二噻吩(BDT)为供电子单元构造的,而呋喃类供电子单元关注较少,其构成的材料效率仍远远滞后于噻吩类材料。然而,呋喃本身拥有一些独有的特性,呋喃的氧原子半径要小于噻吩的硫原子半径,因此呋喃类材料具有比噻吩材料有更小的空间位阻,更易形成紧密的分子堆积,从而提高材料的电荷迁移率。因此,呋喃类给体材料是应用在有机光伏领域是十分有前景的。

北京航空航天大学化学学院霍利军课题组在呋喃及其稠环光伏材料的结构设计进行了一系列探索(Chem. Commun., 2012,48, 3318; Macromolecules 2012, 45, 17, 6923; Polym. Chem., 2013,4, 3047; Chin. J. Org. Chem. 2016, 36, 687; J. Mater. Chem. C, 2016,4, 9052; Polym. Chem., 2016,7,4036)并发展出了基于富勒烯(Adv. Mater. 2015, 27, 6969)的高性能呋喃类光伏材料。近期,该课题组通过一类新型稠环呋喃共轭体系——萘并二呋喃基聚合物进行构象调节,提高了聚合物的电荷传输性能,制备出有效的萘并二呋喃基非富勒烯聚合物太阳能电池,同时其光电转化效率也是呋喃类有机光伏材料的最高值。相关结果发表在Advanced Energy Materials上。

现在较好的供体聚合物材料普遍选择苯并二噻吩作为给电子组分,而呋喃类聚合物给体的发展相对滞后。呋喃中小的氧原子会导致更小的空间位阻,提高分子的堆积程度,有利于提高分子的电荷迁移率。考虑到萘并二呋喃有更长的共轭结构,能显著提高分子的离域能力,促进电荷传输,因此合成了以萘并二呋喃为给体单元,功能化三噻吩为受体单元的宽带隙聚合物。从结果来看,萘并二呋喃聚合物显示出比萘并二噻吩聚合物更线性的分子构象结构,因此有利于平衡分子间的堆积,提升电荷传输性能。从结果来看,萘并二呋喃基聚合物比萘并二噻吩基聚合物具有更好的光伏性能。这表明合理调节呋喃基聚合物结构能显著改善分子的堆积性能和电荷传输性能,为呋喃类聚合物实现更高效的光伏性能提供了新途径。

论文信息:

Over 14% Efficiency Single‐Junction Organic Solar Cells Enabled by Reasonable Conformation Modulating in Naphtho[2,3‐b:6,7‐b′]difuran Based Polymer

Bing Zheng, Feng Qi, Yu Zhang, Ming Zhang, Panfeng Gao, Feng Liu, Tianchen Li, Donghui Wei, Meixiu Wan, Guangming Chen, Lijun Huo, Lei Jiang

Advanced Energy Materials

DOI:10.1002/aenm.202003954