李永舫课题组在小分子受体高分子化的聚合物受体研究中取得新进展

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基于聚合物给体和聚合物受体共混活性层的全聚合物太阳电池（all-polymer solar cells：all-PSC），具有机械柔韧性、形貌和光照稳定性好的突出优点，最有望在柔性聚合物太阳电池中获得实际应用。但是在早期的研究中，all-PSC的光电能量转换效率（PCE）显著低于基于富勒烯和非富勒烯小分子受体的聚合物太阳电池的效率，这是由于合成的聚合物受体在近红外区吸收较弱、聚合物给体和聚合物受体共混膜的形貌控制困难所致。近年来，窄带隙小分子受体获得快速发展，使得基于小分子受体的聚合物太阳电池PCE快速提升。
　　在国家自然科学基金委和科技部重点研发计划的支持下，化学所有机固体院重点实验室李永舫课题组近年来在高效聚合物受体材料的研究中不断取得新的突破。2017年，他们提出了将窄带隙小分子受体聚合物化的学术思想：将小分子受体IDIC与噻吩单元共聚得到了聚合物受体PZ1，使all-PSC的PCE提升至9.19%（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 13503）。此后，小分子受体聚合物化（polymerized small molecule acceptor，PSMA）成为高效聚合物受体和聚合物太阳电池领域的研究热点（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 4422），尤其是2019年报道了A-DA’D-A型窄带隙小分子受体Y6（Joule. 2019, 3, 1140）之后，基于Y6及其衍生物的PSMA的PCE得到了显著的提高，受到聚合物太阳电池领域研究者的广泛关注。2020年，该课题组引入三元无规共聚的分子设计策略、合成了基于Y6衍生物（TPBT）为主体分子骨架的PSMA，使all-PSC的PCE达到12.52%（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 15181）。 2021年，他们使用A’基元为苯并三氮唑的A-DA’D-A型小分子受体作为主要构筑单元、以硒酚为共聚连接单元合成了PSMA聚合物受体PN-Se，将all-PSC的PCE提升到了16.16%（Nat. Commun. 2021, 12, 5264）
　　最近，该课题组通过向噻吩链接单元中引入氟原子，得到了聚合物受体PY-IT2F（分子结构见图1a），与噻吩链接单元中不含氟的聚合物受体PY-IT相比，其具有更高的电子迁移率。但是由于F原子的影响，会造成给受体之间的过度混溶，导致活性层中产生严重的电荷载流子复合，使得基于PY-IT2F的器件的填充因子（FF）和短路电流（Jsc）反而降低。为了改善All-PSC活性层的聚集形貌他们又合成出了基于带支化上侧链的Y6衍生物为主体分子骨架的PSMA聚合物受体PG-IT（图1a），发现主体分子骨架中引入上支化侧链虽然可以有效改善活性层形貌并有效抑制双分子复合，但是其较低的载流子迁移率和载流子寿命限制了器件的FF，因而未能得到理想的PCE。

图1. (a) PY-IT、PY-IT2F、PG-IT和PG-IT2F的分子结构。(b) 三种聚合物受体薄膜的吸收光谱和能级图。(c) PM6:PY-IT2F, PM6:PG-IT和PM6:PG-IT2F共混膜的AFM高度图像和TEM图像以及 PM6:PY-IT2F和PM6:PG-IT2F共混膜的形态示意图

　　最近，研究人员结合了PSMA聚合物受体的噻吩连接单元氟取代和主分子骨架稠环单元上侧链枝化这两种优化策略，合成了一种新型的PSMA聚合物受体PG-IT2F（分子结构见图1a）。与PY-IT2F和PG-IT相比，其具有更高的吸收系数，更合适的分子能级（图1b），并且与PM6聚合物给体有合适的混溶性，与PM6共混得到的活性层形貌以及相分离尺度更合适（见图1c），使得电荷转移性能更优越，电荷载流子迁移率更均衡，电荷转移状态寿命更长，电荷复合减少，这使得基于PG-IT2F的all-PSC的光伏性能得到显著改善。基于PM6:PG-IT2F的all-PSC获得了高达17.24%的PCE，其中开路电压(Voc)为0.95V，短路电流（Jsc）为24.03 mA cm-2，FF为75.46%。17.24%是目前二元all-PSC的最高效率之一。这一成果近期发表在Nat. Commun.上（论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-32964-z），文章的第一作者为中科院化学所博士生孙光沛，通讯作者为中科院化学所李骁骏副研究员、孟磊研究员和李永舫研究员。
       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。
        孟磊，男，1989年6月生于甘肃兰州，博士，中国科学院化学研究所有机固体重点实验室项目研究员