我校材料學(xué)院黃劍華博士課題組近日在“新型高效聚合物光伏受體材料設(shè)計(jì)合成”領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“8.78% Efficient All-Polymer Solar Cells Enabled by Polymer Acceptors Based on A B←N Embedded Electron-Deficient Unit”為題發(fā)表于《Advanced Materials》?！禔dvanced Materials》是德國(guó)Wiley出版社旗下的頂級(jí)期刊，當(dāng)前影響因子為25.809。

    目前，全聚合物太陽(yáng)電池器件的最高效率為11%到12%左右。當(dāng)前報(bào)道的能夠?qū)崿F(xiàn)高效率（> 8%）的聚合物光伏受體材料種類(lèi)非常有限，全部都是基于兩大類(lèi)電子構(gòu)筑單元（圖一）：一類(lèi)是酰亞胺類(lèi)如萘酰亞胺（NDI）、苝酰亞胺（PDI）等經(jīng)典的染料分子；另一類(lèi)是基于二氰基乙烯類(lèi)（IDIC）缺電子單元。有限的材料選擇空間極大限制了全聚合物太陽(yáng)電池的發(fā)展。設(shè)計(jì)全新結(jié)構(gòu)的缺電子單元，并構(gòu)筑高效聚合物受體材料，對(duì)全聚合物太陽(yáng)電池發(fā)展具有重要意義。

圖一：文獻(xiàn)報(bào)道高效率（> 8%）聚合物受體材料的構(gòu)筑單元

    鑒于此，該研究設(shè)計(jì)合成了一類(lèi)含B←N配位鍵的新型缺電子單元BNIDT。通過(guò)對(duì)該單元的研究發(fā)現(xiàn)，這是一個(gè)強(qiáng)缺電子單元，具有強(qiáng)的電子親和性、良好的骨架平面性和較強(qiáng)的分子間作用力。進(jìn)一步利用這個(gè)新型單元與噻吩和3,4-二氟噻吩共聚，得到兩個(gè)新型共軛聚合物BN-T和BN-2fT。通過(guò)光電性質(zhì)表征發(fā)現(xiàn)，這類(lèi)聚合物在可見(jiàn)區(qū)有很寬的吸收帶，一直延伸到近紅外區(qū)。最低空軌道（LUMO）能級(jí)在-3.8 eV左右。薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管（OTFT）測(cè)試表明，聚合物表現(xiàn)出雙極性電荷傳輸特性，電子和空穴遷移率均在10-3-10-2 cm2/Vs。這些性質(zhì)表明這類(lèi)基于BNIDT的聚合物具備了用作太陽(yáng)能電池受體材料的基本條件。選擇一個(gè)商業(yè)化的聚合物PBDB-T作為給體材料，分別與BN-T和BN-2fT共混制備全聚合物太陽(yáng)電池器件。通過(guò)常規(guī)的器件優(yōu)化，如給受體（D/A）比例優(yōu)化、添加劑優(yōu)化和熱退火優(yōu)化等，得到基于PBDB-T: BN-2fT的全聚合物太陽(yáng)電池的最佳效率為8.78%，其中填充因子達(dá)到70.4%（圖二）。這個(gè)效率是除酰亞胺和二氰基乙烯類(lèi)聚合物以外的最高效率。這個(gè)工作拓寬了新型高效聚合物受體材料的種類(lèi)，其分子設(shè)計(jì)理念對(duì)高效聚合物材料開(kāi)發(fā)具有重要啟發(fā)意義?；贐NIDT這類(lèi)共軛聚合物成為一類(lèi)非常有前景的新型聚合物受體材料。

圖二：本研究開(kāi)發(fā)的新型聚合物BN-2fT分子結(jié)構(gòu)及其與PBDB-T為活性層制備全聚合物太陽(yáng)電池效率達(dá)到8.78%

    該研究工作是以我校作為第一通訊單位，與中科院化學(xué)所、香港科技大學(xué)、香港中文大學(xué)等單位合作完成。材料學(xué)院2016級(jí)研究生李永春（已畢業(yè)）為第一作者，在讀研究生孟慧峰為共同第一作者，黃劍華博士為第一通訊作者，中科院化學(xué)所詹傳郎研究員、香港科技大學(xué)劉燾博士、顏河教授為共同通訊作者，材料學(xué)院學(xué)生李雨晴、龐博、向瑩均對(duì)論文有貢獻(xiàn)。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和華僑大學(xué)校級(jí)基金的資助。

    論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201904585

（值班編輯：溫雅彬）