南方科技大学何凤副教授课题组在侧链悬挂的多氯取代聚合物太阳电池给体材料方面取得重要进展
近日，南方科技大学何凤副教授团队在《ACS Applied Energy Materials》发表了题为“Chlorination of Side Chains: A Strategy for Achieving a High Open Circuit Voltage Over 1.0 V in Benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene-Based Non-Fullerene Solar Cells”的文章(DOI: 10.1021/acsaem.8b00506)。
在该工作中，作者基于之前在氯取代聚合物给体方面的工作基础（Macromolecules, 2017, 50, 9617−9625, ACS Energy Lett., 2017, 2, 1971–1977，J. Mater. Chem. A, 2018, 6 , 2942–2951），不同于氟取代聚合物复杂的合成过程，氯原子可以通过更加简化的合成步骤引入到聚合物给体材料中，同时实验结果发现将多个氯原子直接引入到聚合物的骨架中时，虽然由于氯原子的吸电子作用以及其空的3d轨道可以容纳共轭单元的π电子，导致聚合物的最高占据轨道（HOMO）的能级降低，从而在器件上可以获得较高的开路电压（Voc），但同时由于多个氯原子大的空间位阻效应，会在很大程度上会破坏聚合物骨架的平面性，因此影响分子间的相互作用，同时也削弱了分子间的电荷传输能力，影响器件效率，因此如何平衡开路电压与短路电流之间的关系极具挑战。
图1. （a）侧链悬挂的多氯取代聚合物PBClT的结构设计和（b）单体BDT-2Cl以及聚合物PBClT的合成路线
图2.（a）聚合物以及受体材料ITIC的能级（b）聚合物PBClT分别于受体材料ITIC、PC61BM和PC71BM组成的器件的J-V曲线
南方科技大学何凤副教授研究团队基于之前的研究结果，通过合理的结构设计，如图1所示，合成出了共轭侧链悬挂的多氯取代聚合物PBClT，并进行了深入细致的研究。研究表明，聚合物PBClT相对于PTB7-Th，薄膜吸收仅仅发生了6 nm的蓝移，光学带隙也仅仅发生了微小的改变。这是因为氯原子是被引入到了聚合物PBClT的共轭侧链的两端，几乎没有产生空间扭曲，所以氯原子对聚合物骨架的构型没有产生影响，也不会明显改变分子间的相互作用。多个氯原子的侧链悬挂方式的引入，不但没有改变聚合物的构型，而且由于氯原子与π电子间的共振作用，使聚合物的HOMO能级下降。相对于PTB7-Th，PBClT的HOMO能级为5.47 eV，降低了0.2 eV，有助于Voc的提高。在没有任何溶剂添加剂处理的情况下，基于PBClT:ITIC体系的有机太阳能电池获得了1.01 V的开路电压Voc、8.46%的光电转化效率以及13.95 mA cm-2的短路电流。从器件性能可以看出，首先相对于PTB7-Th的太阳器件，光电转化效率有近22%的提高，同时在获得高开路电压Voc的情况下，短路电流Jsc没有发生明显的降低，因此该项研究巧妙地解决了平衡开路电压Voc与短路电流Jsc之间关系的难题，对未来聚合物给体分子的功能设计以及如何提高有机太阳能电池的器件性能提供了新的思路和方法。
该工作的第一作者为南方科技大学-北京大学联合培养博士生晁鹏杰，通讯作者为南方科技大学化学系何凤副教授，共同通讯作者为美国阿贡国家实验室陈伟教授。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaem.8b00506
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