李永舫院士团队：非等量D-A共聚策略合成高效聚合物给体光伏材料

点击上方“蓝字” 一键订阅

中科院化学所李永舫院士课题组首次提出了非等量D-A共聚策略并合成了应用于有机/聚合物太阳电池的非等量D-A共聚物给体光伏材料。基于该类材料的二元器件的开路电压、短路电流与填充因子均得到了提升，并取得了17.71%的高能量转换效率。该研究更深层次地探讨了基于D-A共聚理论的机理，并对应用于高效有机光伏材料的D-A共聚物给体光伏材料提供了新的设计思路，对指导设计高性能D-A共聚物有机半导体材料具有重要意义。

给体单元-受体单元（D-A）共聚策略已被广泛应用于构筑高性能有机半导体材料，用于有机发光二极管、聚合物太阳电池、有机场效应晶体管等。基于D-A共聚策略的分子结构设计的不断优化，科研人员合成了一系列高效聚合物给体光伏材料，有力地推动了有机/聚合物太阳电池能量转换效率的快速提升。然而，从初期的发展新型给体/受体单元，到现阶段的精细调控，如侧链工程、官能团取代等，D-A共聚物的设计优化一直处于针对单体结构进行修饰的层面。此外，尽管现如今近乎所有高效的聚合物材料都是基于D-A共聚结构，但这些D-A共聚物（包括新兴的三元无规共聚物）均是由等量的给体单元和受体单元交替共聚所构成。针对聚合物长链组态的调控优化以及D-A共聚策略更深层机制的研究目前仍然较少。

近日，中科院化学所李永舫院士课题组首次提出了非等量D-A共聚策略。通过在聚合物长链中嵌入更多比例的D-单元，他们合成出了基于高效共聚物PM6的非等量D-A共聚物PM6-Dn（n=1,2,3）(图1)。

图1. 非等量D-A共聚物PM6-Dn（n=1,2,3）的合成方法。 
该团队发现，相比于等量D-A共聚物PM6，基于该策略构筑的非等量D-A共聚物PM6-Dn（n=1,2,3）随着D单元的增加HOMO能级逐渐下移，吸收光谱逐渐蓝移，光学带隙逐渐变宽。测试表明，相较于PM6，非等量D-A共聚物PM6-Dn（n=1,2,3）均具有更高的载流子迁移率、更佳的分子结晶性与自组装能力，其中PM6-D1最佳。基于PM6-Dn:Y6的器件比基于PM6:Y6的器件显示出更有效的激子解离、更少的双分子复合与更快的电荷传输，其中基于PM6-D1:Y6的器件最佳，基于PM6-D3:Y6的器件次之（图2）。

图2. 器件（a）J-V曲线、（b）相应的EQE曲线、（c）光电流密度与有效电压曲线、（d）短路电流密度与光强曲线。 

飞秒瞬态吸收(fs-TA)光谱表明，基于非等量D-A共聚物PM6-D1:Y6的共混膜比基于PM6:Y6的共混膜具有更长的电荷转移态寿命，有利于电荷的传输与收集（图3）。最终，相较于PM6:Y6的0.84 V的开路电压、25.32 mA cm^-2的短路电流、74.4%的填充因子，三个基于非等量共聚物PM6-Dn（n=1,2,3）:Y6体系的器件的开路电压随着D单元比例的增多逐渐上升，分别为0.85、0.85、0.86V; 短路电流均提高到26 mA cm^-2以上, 分别为26.47、26.18、26.01 mA cm^-2；填充因子也均得到了提升，分别为78.7%、75.6%、76.1%。其中，基于PM6-D1:Y6的器件取得了17.71%的最佳能量转换效率，这也是目前二元有机太阳能电池取得的最高效率之一。

图3.（a）PM6-D1:Y6、（b）PM6:Y6共混膜的飞秒瞬态吸收光谱及其（c）PM6-D1:Y6、（d）PM6:Y6在选定的时间延迟上的动力学轨迹与拟合。 

论文第一作者是博士生尚子雅，共同一作是博士生周流洋，共同通讯作者为孙晨凯（郑州大学）、孟磊（中科院化学所）、黄文超（武汉理工大学）和李永舫（中科院化学所）。详见：SCIENCE CHINA  Chemistry, 2021, doi: 10.1007/s11426-021-9988-6

原文链接：

https://doi.org/10.1007/s11426-021-9988-6

来源：中国科学化学

相关进展

北化大张志国教授和中科院化学所李永舫院士《Angew》：聚合物受体光伏材料设计新策略及其研究进展

李永舫院士、张志国教授特约专论：基于苯并三氮唑的二维共轭聚合物给体材料在高性能聚合物太阳电池中的应用

中科院化学所李永舫院士课题组在低成本高效有机光伏材料的研究中取得新进展

苏州大学李永舫院士团队崔超华副教授《Adv. Mater.》：在提高聚合物太阳能电池效率及稳定性方面取得新进展

曹镛院士、李永舫院士等15名学者综述：光电高分子材料的研究进展

中科院化学所李永舫院士课题组获NREL认证14.2%的有机叠层太阳能电池最高效率

中科院化学所李永舫院士课题组《Nat. Commun.》：低成本有机光伏材料研究中取得新进展

苏州大学李永舫院士团队在发展低能量损失的高效聚合物太阳能电池方面取得新进展

免责声明：部分资料来源于网络，转载的目的在于传递更多信息及分享，并不意味着赞同其观点或证实其真实性，也不构成其他建议。仅提供交流平台，不为其版权负责。如涉及侵权，请联系我们及时修改或删除。邮箱：[e-mail]

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[e-mail]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群，请先加审核微信号PolymerChina （或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。

点

这里“阅读原文”，查看更多