北航霍利军教授团队《AEM》：合理调节呋喃类聚合物链内构象实现PCE超过14％的单结有机太阳能电池

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近几年，有机太阳能电池（OSC）由于其低成本、重量轻、可柔性制备等优点而受到广泛关注。随着材料的不断开发，单结有机太阳能电池的能量转化效率（PCE）已超过18%。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。

近期，北京航空航天大学霍利军课题组在呋喃类聚合物给体材料的研究中取得重要进展。2015年他们发现苯并二呋喃类的材料有很好的平面性，从而构成有序的分子堆积，相关的器件也达到不错的效率（Adv. Mater., 2015, 27, 6969）。最近，他们考虑到萘并二呋喃（NDF）相比BDF单元有更长的共轭结构，能显著提高分子的离域能力，促进电荷传输，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给体PNDF-3T。同时，他们也合成了萘并噻吩类聚合物PNDT-3T来作为对比材料。通过对比两个分子的吸收光谱，PNDF-3T显示了一个相对PNDT-3T红移的吸收和明显的肩峰，这表明PNDF-3T有一个优秀的堆积性能。从电化学测试结果来看，PNDF-3T相比PNDT-3T有更深的HOMO能级，这是因为氧原子的电负性大于硫原子，这也为器件的开路电压（V_oc）提供了基础。之后，他们利用理论计算分析两个分子的结构，发现PNDF-3T相比PNDT-3T有更为平直的分子结构，有利于形成更有效的π-π堆积

图一 （a）PNDF-3T和PNDT-3T的分子结构；（b）PNDF-3T和PNDT-3T在薄膜状态下的紫外吸收光谱；（c）PNDF-3T和PNDT-3T器件结构的能级示意图；（d）PNDF-3T和PNDT-3T结构的理论计算排列

随后，他们分别使用PNDF-3T和PNDT-3T作为给体、ITIC-4Cl作为受体，构建了两个反式结构的OSCs来测试两个材料的光伏性能。结果显示，PNDF-3T的器件PCE达到了14.21%，对应的V_oc为0.91 V，短路电流（J_sc）为20.80 mA/cm²，填充因子（FF）为 of 75.1%；而PNDT-3T只达到10.86%的PCE，对应的V_oc为0.90 V， J_sc为16.19 mA/cm²，FF为 of 74.5%。其中，14.21%的PCE是现在呋喃类聚合物给体材料的最高效率。通过对两个材料的器件进行分析，发现PNDF-3T相比PNDT-3T具有更大范围的IPCE光谱，更弱的激子复合，以及更高的激子解离和收集效率，因此，PNDF-3T器件的短路电流和填充因子远高于PNDT-3T。利用掠入射广角X射线散射测试来研究两个分子混合膜的微观形貌，发现两种分子都显示明显的“face-on”朝向，但PNDF-3T相比PNDT-3T有更为紧密的堆积，从而实现了更有效的电荷传输。该研究表明，呋喃类材料相对噻吩类材料有独特的优势，有成为高性能光伏材料的潜力。

图二 （a）PNDF-3T和PNDT-3T器件的J-V曲线；（b）PNDF-3T和PNDT-3T的IPQE曲线；（c）基于NDT-3T：ITIC-4Cl和NDF-3T：ITIC-4Cl的PSC的光电流密度（Jph）与光强度特性；（d）基于NDT-3T：ITIC-4Cl和NDF-3T：ITIC-4Cl的PSC的光电流密度（Jph）与有效电压（Ve ff）特性的关系；（e）2012-2020年间报告的含NDF单元聚合物电池的PCE值；（f）基于NDT-3T：ITIC-4Cl和NDF-3T：ITIC-4Cl共混膜的GIWAX图像和相应的IP和OOP方向曲线

以上相关成果近日在Advanced Energy Materials上发表。论文第一作者为北京航空航天大学博士生郑冰，通讯作者为北京航空航天大学霍利军教授、上海交通大学刘峰教授。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202003954

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