南科大郭旭岗教授团队 AFM：酰亚胺功能化梯形芳烃基聚合物受体的主链构型和电子性质调控及全聚合物太阳能电池性能研究

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聚合物受体材料一直是有机光伏材料设计的重点和难点，发展高性能聚合物受体材料对于有机太阳能电池领域具有重要的基础科学意义和实用价值。例如，基于聚合物给受体材料的全聚合物太阳能电池（all-PSCs）相对于其它类型的有机光伏电池表现出更为优异的器件稳定性和力学性质，在柔性、可穿戴电子器件领域具有巨大的应用潜力。然而，高性能聚合物受体材料高度缺乏，严重阻碍了all-PSCs性能的提升及有机光电领域的发展。

图1. 酰亚胺功能化梯形芳烃基聚合物受体材料PBTIn-(F)T的（a）化学结构、（b）紫外-可见吸收光谱及（c）分子能级。

具有良好离域与平面骨架结构的π共轭梯形芳烃是构建高性能光伏材料的理想模块，但由于合成的挑战，大部分梯形芳烃表现出富电子性质。2017年南方科技大学郭旭岗教授团队研发出一系列酰亚胺功能化的梯形芳烃BTIn（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 15304）, 在构筑高性能聚合物受体材料表现出极大的潜力(Adv. Mater. 2019, 31, 1807220; Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1903970; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 14449; Adv. Mater. 2020, 32, 2004183; Chem 2020, 6, 1310; Adv. Mater. 2021, 33, 2102635; Acc. Chem. Res. 2021, 54, 3804)，但梯形芳烃基聚合物受体结构与光伏性能间的构性关系尚处在初级研究阶段。

图2. 基于PBTIn-(F)T (n=1-4)聚合物重复单元的DFT计算结果。

最近，南方科技大学郭旭岗教授团队联合广州大学孙会靓教授，在前期工作的基础上，发展了最多含十二个环的多酰亚胺基聚合物受体（图1a，PBTI4-T和PBTI4-FT）。通过拉曼光谱、掠入射广角X射线散射等表征手段，系统地研究了BTIn的π共轭骨架长度和氟化策略对梯形芳烃基聚合物受体前沿分子轨道（FMO）能级、主链构型和共混薄膜形貌等的影响。研究发现，酰亚胺官能团数量的逐渐增加不但能够降低聚合物的FMO能级，增强电子传输性能，而且可以减小聚合物的光学带隙，提升对太阳光的捕获能力。同时，噻吩给体单元中氟原子的引入使得该系列聚合物受体的吸收发生蓝移且LUMO能级进一步降低。此外，构建单元呈现出奇-偶（n=1-4）相关的对称性质：中心对称的BTI2和BTI4单元使得聚合物主链呈准线性结构，在纯膜和共混膜中均表现出高结晶相及强烈聚集；而轴对称的BTI3单元使其聚合物具有更加弯曲的骨架，有利于聚合物给受体材料最佳共混形貌的形成，促进激子的高效解离和电荷的有效传递，从而使得基于PBT3-(F)T聚合物受体的all-PSCs获得最优的器件性能。而进一步增加或者减小梯形单元的共轭长度，会导致器件性能下降。这些酰亚胺功能化梯形芳烃基聚合物受体材料的构性关系为进一步发展聚合物受体材料提供了重要的设计思路和材料基础。

图3. （a）全聚合物太阳能电池器件结构；基于PBTIn-(F)T (n=1-4)的all-PSCs的（b, c）J-V特性曲线、（d）PCE直方图及（e, f）EQE曲线。 
图4. 在532 nm波长激发下，PBTI2-T、PBTI3-T和PBTI4-T聚合物薄膜的共振拉曼光谱：（a）退火的纯膜，（b）未退火的共混薄膜，（c）退火的共混薄膜。

以上相关成果以Backbone Configuration and Electronic Property Tuning of Imide-Functionalized Ladder-Type Heteroarenes-Based Polymer Acceptors for Efficient All-Polymer Solar Cells为题发表在《Advanced Functional Materials》上，该论文的第一作者为南方科技大学博士后刘斌和王英锋，通讯作者为南方科技大学郭旭岗教授，广州大学孙会靓教授和西班牙马拉加大学Rocío Ponce Ortiz教授。韩国高丽大学的Han Young Woo教授和马拉加大学Rocío Ponce Ortiz教授为本工作提供形貌表征等技术支持。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202200065

郭旭岗教授课题组网址：

http://faculty.sustech.edu.cn/guoxg/

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