B−N共价键单元构筑高效有机太阳电池聚合物给体材料

有机太阳电池具有质轻、柔性、可进行卷对卷大面积加工等优点在新能源领域具有重大潜力，近年来得到广泛关注和研究。目前，高效聚合物给体材料多为“给电子单元−缺电子单元”交替型共轭聚合物。相比于多样化的缺电子单元，给电子单元主要局限于苯并二噻吩（BDT）单元。近日，华南理工大学的段春晖教授（点击查看介绍）课题组，基于B−N共价键构筑了一种新型给电子单元BNT，并设计合成了聚合物给体材料PBNT-BDD，该聚合物不仅可以实现高效率有机太阳电池器件，并且具有易于合成、能量损失小、单线态-三线态能级差ΔE_ST极小等特点。

图1. BNT与F-BDT结构与合成对比，以及聚合物PBNT-BDD合成路线。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

B−N共价键单元（BNT）是以2,5-二溴对苯二胺为原料，通过3步高产率反应获得。相比F-BDT单元，BNT单元的合成具有显著简便性。根据BNT单晶结构可知，BNT单元具有良好平面性，其B−N键（B1−N1）键长小于C−C键（1.533 Å），与C=C键（1.415 Å）一致，说明B、N原子能够参与共轭体系，在保持共轭构型的同时，能通过B、N的杂原子效应实现能级调控。DFT模拟计算验证了BNT单元的空间构型，以及确定了其为给电子单元。

作者通过Still聚合反应获得了聚合物给体材料PBNT-BDD，其吸收与非富勒烯小分子受体Y6-BO吸收互补。在能级上，得益于B、N的杂原子效应，PBNT-BDD具有较深的HOMO能级。

图2. 基于PBNT-BDD:Y6-BO以及PM6:Y6-BO的器件J-V曲线与EQE相应图谱。

在器件方面，基于PBNT-BDD:Y6-BO的有机太阳电池器件可获得16.1%的光电转化效率，与基于BDT单元构筑的PM6给体材料的器件效率相当。

图3. BNT-BDD溶液低温磷光测试以及材料与器件的Jablonski能级图。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

另外，作者通过低温磷光表征，确定了PBNT-BDD的单线态−三线态能级差值（ΔE_ST）为0.15 eV，远低于普通有机半导体材料的ΔE_ST（≥0.6 eV）。在能级上，PBNT-BDD的三线态能级高于电荷转移态能级（ΔE(T₁)>ΔE(CT)），这将有效抑制有机太阳电池的三线态的复合过程。

综上所述，B−N共价键单元在制备高效有机太阳电池材料方面具有良好的前景。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition上，文章的第一作者是华南理工大学的博士后庞淑婷，通讯作者为华南理工大学的段春晖教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A Facile Synthesized Polymer Featuring B−N Covalent Bond and Small Singlet-Triplet Gap for High-Performance Organic Solar Cells

Shuting Pang, Zhiqiang Wang, Xiyue Yuan, Langheng Pan, Wanyuan Deng, Haoran Tang, Hongbin Wu, Shanshan Chen, Chunhui Duan, Fei Huang, Yong Cao

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202016265

导师介绍

段春晖

https://www.x-mol.com/university/faculty/49791