双烷硫链取代聚合物给体材料用于高效聚合物太阳能电池

给体材料的吸收光谱、HOMO能级以及与受体材料共混之后的形貌是决定聚合物太阳能电池能量转换效率的关键因素。给电子侧链烷硫链因硫原子具有空的d轨道而具有π吸电子性质，苏州大学李永舫院士团队的崔超华副教授等将烷硫链引入BDT单元，利用烷硫链这一独特的特性有效降低给体材料的HOMO能级、提高器件开路电压，从而提高能量转换效率（Energy Environ. Sci., 2014, 7, 2276–2284; Adv. Mater., 2015, 27, 7469–7475; Energy Environ. Sci., 2016, 9, 885–891）；另外，他们在2011年首次报道了基于吸电子单元naphtho[2,3-c]thiophene-4,9-dione (NTDO)的聚合物给体材料，取得了5.21%的器件能量转换效率（PCE），体现了NTDO单元在高效给体光伏材料设计上的潜力（Chem. Commun., 2011, 47, 11345–11347）。

在前期的系列工作基础上，最近，他们将烷硫链引入NTDO单元，设计合成了一种双烷硫链取代的共轭聚合物PBN-S（Fig. 1）作为给体材料用于聚合物太阳能电池，取得了优异的光伏性能。PBN-S具有与非富勒烯受体IT-4F互补的吸收光谱及较低HOMO能级（Fig. 1）。以PBN-S为给体、IT-4F为受体制备聚合物太阳能电池器件，PCE达到了13.10%。同时，基于PBN-S:IT-4F的半透明器件PCE也达到9.83%，可见光区（370-740 nm）平均透过率高达32%。不仅如此，PBN-S在大面积器件上也取得了突出的光伏性能：使用旋涂的方法制备的100 mm²器件，PCE为10.21%；使用刮涂的方法制备的100 mm²器件，PCE高达10.69%。不仅如此，基于PBN-S:IT-4F的器件具有良好的稳定性，器件在手套箱或者空气中放置（无需避光）100天，效率都能维持原始效率的80%以上（Fig. 2）。

Fig. 1 (a) Chemical structure of PBN-S. (b) Normalized UV-vis absorption spectra of PBN-S and IT-4F. (c) Energy level diagrams of PBN-S and IT-4F.

Fig. 2 Normalized photovoltaic parameters of (a) unencapsulated devices with conventional architecture of glass/ITO/PDEOT:PSS/PBN-S:IT-4F/ZnO/Al stored in a nitrogen-filled glove-box and (b) unencapsulated devices with inverted architecture of glass/ITO/ZnO/PBN-S:IT-4F/MoO₃/Al stored in air.

结果表明，基于双烷硫链取代NTDO的聚合物给体材料PBN-S在未来高效聚合物太阳能电池的实际应用上具有巨大的潜力。

相关研究成果近期发表在Energy & Environmental Science，第一作者为博士研究生吴月，通讯作者为崔超华副教授。

该论文作者为：Yue Wu, Hang Yang, Yan Zou, Yingying Dong, Jianyu Yuan, Chaohua Cui, Yongfang Li

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A new dialkylthio-substituted naphtho[2,3-c]thiophene-4,9-dione based polymer donor for high-performance polymer solar cells

Energy Environ. Sci., 2019, DOI: 10.1039/C8EE03608J

导师介绍

李永舫

https://www.x-mol.com/university/faculty/15474