北化工李韦伟团队Angew:具有悬垂近红外受体的双缆共轭聚合物用于构建单组分有机太阳能电池

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前言回顾

双缆共轭聚合物由电子给体（D）作为共轭主链，电子受体（A）作为侧单元，这种D/A分子异质结可以将激子分离为自由电荷。因此，双缆聚合物可应用于单组分有机太阳能电池（SCOSCs），与具有物理混合D/A体系的体异质结有机太阳能电池（BHJOSCs）相比，其显示出优越的器件稳定性。此外，双缆共轭聚合物中较大的D/A距离可以减少器件的非辐射复合损耗和电压损耗，显示出SCOSCs的巨大应用潜力。

虽然双缆共轭聚合物已经被报道了20多年，但基于这些聚合物的器件光电转换效率（PCE）始终低于5%，这主要归因于材料的种类相对有限。自2017年以来，北京化工大学李韦伟教授研究团队开发了一系列基于芳烯二酰亚胺的新型双缆共轭聚合物，由于其可调特性和高度有序的纳米结构，相关SCOSCs器件的PCE可以提高到8%以上。然而，这些双缆聚合物在近红外（NIR）区域并不能表现出光谱响应，因此SCOSCs器件显示出相对较低的光电流密度、较低的开路电压（VOC）以及高电压损耗（Vloss），最终导致光伏性能较低。因此，开发具有近红外光响应的双缆聚合物对于提高SCOSCs器件太阳能收集能力非常重要，有利于进一步提高PCE。

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文献简介

近几年来，基于近红外非富勒烯受体的OSCs器件PCE超过19%。由于其显著的性能，将这些非富勒烯受体嵌入双缆聚合物中不失为一种有效策略。有鉴于此，近日，李韦伟教授研究团队首次成功开发了具有悬垂近红外受体的双缆共轭聚合物，并将其应用于SCOSCs之中。研究人员最初将具有噻吩吡咯二酮（TPD）中心核的非稠环受体TPDIC连接到共轭聚合物PBDB-T两边上，构建了具有对称结构的双缆聚合物（s-DCPIC）。然而，遗憾的是，基于该聚合物的器件PCE仅为2.99%（溶剂为邻二氯苯），并且填充因子（FF）较低。于是，他们推测TPDIC具有较大的共轭主链，这将阻碍D/A纳米相分离的形成。研究人员随即合成了一种不对称型双缆聚合物as-DCPIC，其只有单边的TPDIC结构。

研究结果显示，基于as-DCPIC的SCOSCs器件具有较高的短路电流密度（JSC）和较低的电压损耗，分别为16.7 mA cm-2和0.57 V，因而最终实现了超过8%的PCE。当使用3%的二碘辛烷（DIO）作为添加剂时，相应器件PCE可以进一步提高到10%以上，是目前基于双缆聚合物的SCOSCs器件的效率最高值，并且器件的外量子效率（EQE）接近0.80。更重要的是，与相应的BHJOSCs相比，这些SCOSCs器件还表现出了更高的光热稳定性。

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文献总结

综上，该工作证明：设计近红外双缆共轭聚合物以及控制纳米相分离的可以作为构建高性能SCOSCs的有效途径，对该领域的发展具有重要意义。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》上，题为“Double-Cable Conjugated Polymers with Pendent Near-Infrared Electron Acceptors for Single-Component Organic Solar Cells”。文章的第一作者是北京化工大学博士生梁世洁和北京交通大学博士生刘柏侨，通讯作者是李韦伟教授。

本文关键词：有机太阳能电池，双缆共轭聚合物，单组分器件，非辐射复合损耗，近红外吸收。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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