孫豔明&李燕AEM:基於苯並二呋喃的高效能聚合物給體器件效率超16%

1.前言回顧

有機太陽能電池（OSCs）以其低成本、輕量化、靈活性和半透明等獨特優勢，在過去十年中取得了重大進展。近年來，為了獲得高光電轉換效率（PCE）和長期穩定性，高效能聚合物給體和電子受體的設計和合成以及體異質結OSCs器件的最佳化成為研究熱點。對於非富勒烯受體，主要以ITIC、Y6及其衍生物為代表，它們具有很強的電子親和力和可調節的分子結晶性。對於聚合物給體，目前也已經開發了各種型別的共軛聚合物，例如PM6、PBDB-T等。為了獲得高效能的OSCs，聚合物給體和電子受體應具有互補的吸收、匹配的能級和良好的3D互穿網路，以促進激子分離和載流子傳輸。

目前，大多數高效能聚合物給體都基於苯並［1，2-b：4，5-b′］二噻吩（BDT）結構，然而，其呋喃類似物苯並［1，2-b：4，5-b′］二呋喃（BDF）的尺寸小於BDT，因此對相鄰單元產生較弱的空間位阻，並形成更緊密的填充排列。基於BDF的聚合物通常具有較低的HOMO水平，這是由於呋喃具有較強的電負性和較高的電子遷移率，而這一點也有利於實現高開路電壓（VOC）。此外，呋喃的生物可降解性和可再生性使BDF聚合物給體更適合未來應用。儘管有這些優點，但目前很少有關於BDF聚合物給體的研究，其中大多數表現出相對較低的PCE。

圖1。不同結構分子性質比較

2.文獻簡介

在之前工作的基礎上，近日，

北京航空航天大學孫豔明教授

團隊、

李燕教授

團隊設計併合成了一種新型基於BDF結構的聚合物給體：PBDF-NS。該分子以萘取代的BDF為富電子單元，氟化的BTz為缺電子單元，並且其具有較低的HOMO能級（-5。44 eV）和寬光學帶隙（1。87 eV）。研究發現，聚合物PBDF-NS與受體Y6及其衍生物LC301具有互補的吸收光譜、匹配的能級和優異的網狀纖維形貌。當分別使用Y6和LC301作為受體時，基於PBDF-NS：Y6的器件獲得了14。26%的PCE，VOC為0。728 V；而基於PBDF-NS：LC301的器件獲得高達0。857 V的VOC和15。24%的PCE，是迄今為止基於BDF聚合物的器件效率最高值。

圖2。相關器件的光伏效能

此外，當Y6作為少量的第三組分加入到基於LC301的二元體系中時，三元器件中的短路電流密度（JSC）和填充因子（FF）同時增加，從而產生16。14%的較高PCE。同時，三元共混物中有序的纖維網狀形態有助於獲得優異的環境穩定性和光穩定性。此外，PBDF-NS與聚合物受體PY-IT匹配良好，基於PBDF-NS：PY-IT的全聚合物有機太陽能電池獲得了高達16。17%的PCE。這些結果表明，BDF聚合物給體非常適用於製備高效能和穩定的OSCs。

圖3。不同器件的瞬態吸收光譜

3.文獻總結

綜上，該工作為設計基於BDF結構的高效能聚合物給體提供了新的指導，豐富了OSCs給體家族。相關研究成果現已發表在國際頂級能源期刊《Advanced Energy Materials》上，題為“Benzo［1，2-b：4，5-b’］difuran Based Polymer Donor for High-Efficiency （>16%） and Stable Organic Solar Cells”。

本文關鍵詞：有機太陽能電池，聚合物給體，苯並二噻吩，苯並二呋喃，PBDF-NS。

4.材料推薦

PBDB-T：1415929-80-4

Y6：2304444-49-1