南昌大学陈义旺教授在烷氧基苯共轭侧链上不同数目氯取代的宽带隙二维共轭聚合物给体的合成及非富勒烯聚合物太阳能电池性能的研究
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目前，有机太阳能电池得到快速的发展，能量转换效率(PCE)已经超过17%。由于有机太阳能电池是由给体和受体材料组成，聚合物给体和稠环受体的发展大大提高了PCE值。聚合物给体PM6和A-DAD-A型结构的非富勒烯受体Y6将有机太阳能电池领域提高到更高的层次。因此，发展聚合物给体材料也是有机光伏的一个至关重要的因素。
南昌大学高分子及能源研究院陈义旺教授研究团队在开发小分子受体和聚合物给体方面有着丰富的经验，前期工作如：通过分别把烷硫基和氟原子引入苯并二噻吩(BDT)的二维噻吩共轭侧链上(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 32218–32224; J. Mater. Chem. A,2019, 7, 26351–26357)和端基工程(Sol. RRL, 2020, 2000071)，构建二维小分子受体材料来提升有机光伏效率；通过添加第三组分构建无规共轭聚合物给体调节分子的吸收、能级、结晶性等因素来提高PCE值(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 20741−20749; Chin. Chem. Lett., 2019, 30, 1161–1167)。基于以上经验，作者发现卤素原子(氯原子与氟原子)在调节分子的吸收、轨道能级以及形貌方面起到了关键的作用，能够有效提高有机太阳能电池的光伏性能。因此，作者通过把不同数目的氯原子引入到烷氧基苯的二维共轭侧链上构建D-A聚合物给体来考察对有机光伏器件性能的影响。在本研究中，作者设计和合成了基于苯并二噻吩(BDT)和二氟苯并三氮唑(FBTZ)的宽带隙(WBG)二维(2D)共聚物给体(DZ1、DZ2和DZ3)，这些聚合物在烷氧基苯共轭侧链上含有不同氯原子并研究了其在非富勒烯聚合物太阳能电池(PSCs)上的性能。三个聚合物给体DZ1、DZ2和DZ3在300–700 nm范围内显示相似的吸收光谱，光学带隙分别为1.84、1.92和1.97 eV。相比不含氯取代的聚合物DZ1，将氯原子引入烷氧基苯的间位可以获得聚合物较深的最高占有分子轨道(HOMO)能级，可以提高PSCs的开路电压(VOC)，以及提高空穴迁移率。基于DZ2的非富勒烯体异质结PSCs:MeIC具有较高的PCE为10.22%，VOC为0.88 V，短路电流密度(JSC)为17.62 mA·cm-2，填充因子(FF)为68%，高于DZ1:MeIC (PCE为8.26%)和DZ3:MeIC (PCE为6.28%)的器件性能。结果表明，调节烷氧基苯侧链上氯原子数量的BDT聚合物给体是合成高性能聚合物给体的一种很有前途的方法。图1. (a) 给体聚合物的分子结构; (b) 受体MeIC的分子结构; (c) 聚合物给体和受体MeIC薄膜吸收光谱; (d) 共混膜的吸收强度; (e)给体和受体的能级图
该论文的第一作者为南昌大学张有地博士，通讯作者为香港科技大学刘焘博士、韩国蔚山国家科学技术研究院Changduk Yang教授以及南昌大学和江西师范大学陈义旺教授。另外该工作还感谢南昌大学硕士生王勇对合成工作的贡献，香港科技大学颜河教授以及香港科技大学博士生马睿杰在器件表征方面给予的帮助。同时，该项工作得到国家自然科学基金(Nos. 51763017, 21602150)的资助。该论文即将发表于Chinese Journal of Polymer Science。
Reference：
Wide Band-gap Two-dimension Conjugated Polymer Donors with Different Amounts of Chlorine Substitution on Alkoxyphenyl Conjugated Side Chains for Non-fullerene Polymer Solar Cells
Youdi Zhang, Yong Wang, Ruijie Ma, Zhenghui Luo, Tao Liu, So-Huei Kang, He Yan, Zhongyi Yuan, Changduk Yang, and Yiwang Chen
DOI: 10.1007/s10118-020-2435-5
论文链接：
https://doi.org/10.1007/s10118-020-2435-5
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