李永舫课题组在高效宽带隙聚合物给体光伏材料的研究中取得新进展

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随着2019年明星窄带隙有机小分子受体Y6的发现，有机太阳能电池（OSC）进入了一个新的发展阶段，其最高能量转换效率（PCE）从报道Y6之前的14%左右迅速提升到最近的超过18%。但是效率超过17%的器件大多基于三元体系（两个给体一个受体或者是一个给体两个受体）或者是使用三元共聚的聚合物给体，这些都增加了材料合成和器件制备的复杂程度。
　　在国家自然科学基金委和科技部重点研发计划的支持下，化学所有机固体实验室李永舫课题组最近在宽带隙聚合物给体光伏材料的研究中取得新进展。他们设计合成了基于噻吩给电子（D）单元和二氟取代喹喔啉（DFQ）受电子（A）单元的低成本高效D-A共聚物给体光伏材料PTQ10（Nat. Commun. 2018, 9, 743.）。他们又将DFQ A-单元与带噻吩共轭侧链的苯并二噻吩（BDTT） D-单元共聚，合成了新型D-A共聚物给体光伏材料PBQ10，使用Y6为受体，使基于PBQ10的OSC能量转换效率达到了16.34%（Chem. Mater., 2020,32,3254-3261.）。

图1  聚合物给体PBQ5、PBQ6和受体Y6的(a)分子结构；（b）薄膜的吸收光谱和(c) LUMO和HOMO能级；(d) 有机太阳电池器件结构。

　　最近，该课题组与武汉理工大学合作，通过侧链工程优化合成了两个新的基于BDTT D-单元和DFQ A-单元的宽带隙D-A共聚物PBQ5和PBQ6（分子结构见图1(a)）。与DFQ单元上带两个烷基侧链的PBQ5相比，DFQ单元上带两个烷基和氟取代噻吩共轭侧链的PBQ6的吸收光谱发生红移（见图1(b)）、分子间相互作用增强、并且空穴迁移率提高。同时，PBQ6给体和Y6 受体的共混膜表现出较高和平衡的空穴/电子迁移率和比较适宜的聚集形貌。基于PBQ6:Y6的有机太阳电池填充因子高达77.91%、能量转换效率达到17.62%，而基于PBQ5:Y6器件的效率只有15.55%。基于PBQ6器件的效率17.62%是基于Y6为受体的二元有机太阳电池的最高效率之一。这一成果近期发表在Adv. Mater. 上（Adv. Mater., 2021, 33，2100474），文章的第一作者为中科院化学所博士生朱灿，通讯作者为中科院化学所孟磊研究员、武汉理工大学黄文超教授和中科院化学所李永舫研究员。
         文章来源：化学所
        李永舫，中国科学院化学研究所研究员、苏州大学材料与化学化工学部教授，2013年当选中科院院士。1986年在复旦大学获博士学位。主要研究领域是有机/聚合物太阳能电池光伏材料和器件以及钙钛矿太阳能电池。已发表研究论文600多篇，学术会议邀请报告120多次。发表论文已被他引35000余次，h-因子93。1998年获人事部授予中青年有突出贡献专家称号，1995年获国家自然科学奖二等奖（第二完成人）、2005年获北京市科学技术奖一等奖（第一完成人）、2012年获美国化学会授予高分子学术报告奖。入选科睿唯安(Clarivate Analytics)公司发布的2014材料科学领域以及2015至2018化学和材料科学两个领域Highly cited researchers名单。