海杰峰副教授课题组近期在有机太阳能电池领域取得重要进展

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近年来，体异质结有机太阳能电池（OSCs）电池因其重量轻、灵活性强、可大面积生产、成本低的优点而备受关注。光活性层材料（包括给体和受体）的合成对于提高光电转换效率（PCE）和拓宽OSCs电池的应用至关重要。自从宽带隙聚合物给体（PBDB-T型）材料被报道以来，设计和合成窄带隙非富勒烯受体（NFAs）变成为目前的研究热点之一。尽管目前最为成功的NFA分子ITIC和Y6将OSCs的PCE效率推到了19%以上，但是NFA材料对近红外区域光子的利用相对有限，限制着电池器件短路电流（Jsc）的进一步提升。因此，设计和合成具有超窄带隙（Eg≤1.30 eV）的NFAs材料，有效的拓宽近红外区域光谱吸收和提升电池短路电流，对促进OSCs的发展至关重要。多课题组研究成果表明，在中心稠环核和吸电子端基单元之间引入π桥是拓宽非富勒烯有机太阳能电池光谱吸收的有效策略。常用的π桥单元包括烷氧基或烷硫基噻吩、硒基噻吩、噻唑、苯、噻吩并噻吩、和环戊二噻吩等，这些带有取代基的共轭单元通常在一定程度上降低整个共轭分子的平面性。C=C双键基团（乙烯基）常用于构建D-A型窄带隙聚合物给体材料，但很少应用于NFA受体材料。

       我院海杰峰副教授课题组以NFA分子Y6为母体结构，首次逐步在缺电子稠环中心核和吸电子端基中间插入不等数量（1~4个）的乙烯基π桥，获得了一系列Y型NFA分子（BTP-1V, BTP-2V, BTP-3V和BTP-4V）。此系列NFA分子最高占有轨道（HOMO）能级逐渐上升，引入的不定数量乙烯基π桥产生较大的偶极矩，但是分子的平面性仍然很好。其中基于PBDB-T/BTP-1V活性层的OSC器件，具有最均衡的电荷传输和良好的相分离形貌，获得了11.03%的效率，这是基于超窄带隙（Eg≤1.28 eV）非卤化端基NFA单结二元OSCs的最高值之一（Materials Advances 2021, 2, 2132-2140, RSC新期刊）。
       在此基础上将分子BTP-1V和BTP-2V的非卤化端基IC替换成二氟取代端基2FIC，得到两个超窄带隙NFA分子—BTP-1V-2F和BTP-2V-2F，它们的吸收光谱拓宽到1020 nm，光学带隙降低至1.22 eV。其中插入两个π桥的对称结构分子BTP-2V-2F与PCE10聚合物共混制备活性层，电池器件的Jsc提升到26.16 mA/cm2，PCE为11.22%。插入一个π桥的不对称分子BTP-1V-2F，由于具有较低的HOMO能级，可以很好与聚合物PM6匹配，虽然器件的Jsc略微下降，但是填充因子（FF）和开路电压（Voc）得到显著的提升，最终基于PM6/BTP-1V-2F活性层器件的PCE提升至14.24%，这也是基于超窄带隙NFA（Eg≤1.29 eV）单结二元OSCs的最高效率之一（Dyes and Pigments 2021, 188, 109171，SCI二区top期刊）。
        之后采用杂稠环工程优化分子结构，将BTP-1V-2F分子中心稠环核苯并噻二唑（BT）替换成苯并三氮唑（BTz）和苯并硒二唑（BSe）得到两种新型不对称分子BTP-S和BTP-Se，其中引入具有更大半径易极化Se原子的BTP-Se，光学带隙降低至1.24 eV。得益于不对称的分子结构和杂稠环替换作用，基于PBDB-T/BTP-Se活性层的单结二元OSC的效率达到14.20%，这也是基于PBDB-T聚合物单结二元OSCs的最高效率之一，同时获得了史无前例的超高Jsc（28.66 mA/cm2），这是整个基于NFA单结二元OSC电池器件的最高短路电流。以上研究成果为高效基于不对称NFA的有机太阳能电池提供了一种有效的分子设计策略，同时对OSC商业化起到一定的推动作用。
        这部分工作以“Fused-heterocycle engineering on asymmetric non-fullerene acceptors enables organic solar cells approaching 29 mA/cm2 short-circuit current density”为题在发表在Chemical Engineering Journal期刊上（SCI一区top，IF 13.3）。2021级研究生宋远霞为本文的第一作者，海杰峰副教授为唯一通讯作者，以上研究工作都得到广西自然科学基金面上项目（2017GXNSFAA198343）和广西电磁化学功能物质重点实验室基金（EMFM20211118）等资助。
       论文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1385894721044077
       https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0143720821000395
       https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/MA/D0MA01017K
        文章来源：桂林理工大学
        海杰峰，男，回族，1986年出生于广西桂林，工学博士。现于桂林理工大学化学与生物工程学院电化学教研室从事教学和科研工作。主要从事有机聚合物光电材料的结构设计及其光伏性能的研究，目前主持一项广西自然科学青年基金，参与过多项国家自然科学基金，在SCI刊物上以第一作者和通讯作者发表七篇研究性论文，同时参与发表论文十多篇。