苏州大学/山东大学张茂杰团队：新型不对称非稠环缺电子单元构建低成本聚合物受体用于全聚合物太阳能电池

全聚合物太阳能电池（All-PSCs）的光活性层由p-型聚合物作为电子给体和n-型聚合物作为电子受体组成，具有良好的形貌稳定性和机械柔性，在实现大面积、柔性有机太阳能电池的制备中具有较大潜力，因而受到科研工作者们的广泛关注。特别是近年来，得益于小分子受体高分子化策略（PSMAs）的提出，一系列以稠环小分子受体为共聚单元的聚合物受体材料被开发出来，使得All-PSCs的光电转换效率（PCE）显著提升，已经超过18%。然而，作为关键共聚单元的稠环小分子受体大多存在着合成路线繁琐、纯化工艺复杂等问题，大大增加了PSMAs的生产成本。此外，由于聚合物的分子量（M_n）和多分散性指数（PDI）难以精准调控，聚合物受体存在明显的批次差异性，这严重影响了All-PSCs的器件性能，不利于商业化的大批量制备。因此，设计和开发结构简单的新型关键缺电子单元，以制备具有良好的批次重复性和低成本的聚合物受体材料具有重要意义。

近期，苏州大学/山东大学张茂杰教授研究团队设计并合成了一种简单的非稠环缺电子单元TIC-Br。该缺电子单元是将广泛使用的单溴取代的氰基茚酮（IC-Br）端基与简单的烷基取代的噻吩单元进行连接，仅通过三步简单的反应（溴化反应，醛基化反应和Knoevenagel缩合反应）即可合成得到（图1）。研究结果表明TIC-Br分子内具有S•••O非共价相互作用，增强了分子主链的平面性和刚性。同时，不对称的TIC-Br分子显示出较大偶极矩（4.91 Debye），这有利于促进分子间紧密的π-π堆积。为了探究该构建单元在聚合物受体中的应用潜力，作者将TIC-Br单元与锡化的氟化噻吩基苯并二噻吩（BDT-TF-Sn）单元进行共聚合成了聚合物受体PTIB。该聚合物受体薄膜在可见光区（300-800 nm）具有较强的吸收，并且其最大消光系数可达0.64 × 10⁵ cm⁻¹（图2）。而且，其具有较高的LUMO能级（−3.86 eV）和较深的HOMO能级（−5.70 eV），这有利于与给体材料相匹配以及获得较高的开路电压（V_OC）。另外，PTIB表现出优异的电子迁移率（1.02 × 10⁻⁴ cm² V⁻¹ s⁻¹），适合作为电子受体材料。

图1. 不同聚合物受体的化学结构以及TIC-Br和PTIB的合成路线。

图2. TIC-Br的密度泛函理论计算结果及聚合物受体PTIB的光电特性表征。

以经典聚合物PM6作为给体材料制备All-PSCs，器件获得超过10 %的PCE和高达0.97 V的V_OC。更重要的是，与已报道的代表性PSMAs相比，PTIB表现出更低的合成复杂度（SC = 35.0%）；进一步地，通过品质因子（FOM = PCE/SC）来评估不同All-PSCs体系的成本效益，该工作报道的PM6:PTIB器件取得了更高的FOM值（29.0%），展示出良好的商业化应用潜力（图3）。此外，与PYT、PJ1和PF5-Y5相比，基于PTIB的All-PSCs的器件性能受其分子量的影响更小，在数均分子量3.5-10.2 kDa范围内都表现出非常接近的PCE值，表现出优异的批次可重复性。该工作提出了一种新型的聚合物受体材料构建策略，为实现低成本、高性能全聚合物太阳能电池提供了新的视角和重要思路。

图3. 全聚合物太阳能电池的光伏性能；高效聚合物受体和PTIB的SC值和FOM值的统计图；基于不同分子量的聚合物受体的All-PSCs器件对应的PCE值。

相关成果近期在线发表于Science China Chemistry。博士研究生肖海芹为文章的第一作者，张茂杰教授为通讯作者。详细内容见：Haiqin Xiao, Linfeng Yu, Zhiliang Zhang, Haiyan Liang, Yu Shi, Xia Guo, Maojie Zhang, Yongfang Li. An Asymmetric Non-Fused Electron-Deficient Building Block for Low-Cost Polymer Acceptor in All-Polymer Solar Cells. Sci. China Chem., 2023, doi: 10.1007/s11426-023-1717-y.

扫描二维码或点击左下角“阅读原文”可查阅全文。

【扩展阅读】