华南理工黄飞&张凯团队JMCA:通过对聚合小分子受体端基与共聚单元的设计调控获得高开路电压（>1.1 V）全聚合物太阳电池器件

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前言回顾

在过去几十年中，聚合物有机太阳能电池（PSCs）领域取得了重大进展，由于新型活性层材料的问世开发，器件工程的探索，以及共混膜形貌的优化，单结器件的光电转换效率（PCE）已经超过19%。其中，以聚合物作为电子给体和电子受体的全聚合物太阳能电池（all-PSCs）在机械柔性和器件稳定性方面显示出独特的优势。然而，all-PSCs器件的效率相比于基于小分子受体的电池器件仍有一定差距。2017年，中科院化学研究所李永舫院士研究团队提出聚合小分子受体（PSMA）策略，将高效小分子受体（SMA）作为聚合物受体的构建单元，能够显著提高PMSA的光吸收系数，最终提高器件PCE。

目前，大多数已报道的PSMA属于窄带隙分子，宽带隙的PSMA尚未被探索。实际上，宽带隙的聚合物受体在室内光伏、叠层器件以及三元太阳能电池中具有非常广泛的应用。此外，基于PSMA的分子结构工程主要集中在受体分子的中心芳香稠环和侧链取代基团部分的优化，而对于受体分子端基部分的调控关注甚少。显然，相比于侧链工程方法，端基修饰能够在更大尺度上调控PSMA的光电特性。例如，端基能够极大地影响分子吸收光谱和前线分子轨道能级，端基的吸电子能力不同可能会导致PSMA的带隙发生明显变化，因此仅通过调节端基即有望获得宽带隙PSMA。此外，已有报告表明，PSMA中受体分子端基的异构化将极大地影响相应all-PSCs的共混膜形貌和电荷传输特性，而无端基异构化的PSMA能够获得更好光伏性能。基于上述原因，我们期望通过引入新型的无异构化的端基单元，设计开发具有宽带隙的PSMA。

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文献简介

有鉴于此，近日，华南理工大学黄飞教授、张凯副研究员团队将一种新型的无异构化端基单元“5-溴-4,7-二氟-1H-茚-1,3（2H）-二酮”引入到小分子受体构建单元中，从而开发出两种新型宽带隙的PSMA：PFFO-Th和PFFO-DTh。事实上，结构设计上PSMA端基的氟取代有望增强分子堆积，从而实现高载流子迁移率。此外，从单噻吩（PFFO-Th）到双噻吩（PFFO-DTh）的共聚单元调控，微调PSMA的分子堆积，优化all-PSCs的器件性能。研究结果显示，新开发的PSMA具有相对较宽的光学带隙~1.65 eV，以及较高的LUMO能级。

当与聚合物给体JD40混合时，基于PFFO-DTh的器件PCE为9.2%，开路电压（VOC）高达1.13 V，短路电流密度（JSC）为13.7 mA cm-2，填充因子（FF）为59.5%。相比之下，基于PFFO-Th的all-PSCs器件的VOC略低为1.11 V，但JSC显著提高到15.4 mA cm-2，同时FF为63.1%，最终可以获得更高的PCE为10.8%，这是目前基于PSMA的all-PSCs中VOC超过1.1V的最好器件效率之一。进一步系统的研究表明，基于PFFO-Th的器件高效率主要归因于更好的相容性、更强的结晶性和优异的分子取向，从而实现更好的电荷解离，传输和提取。

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文献总结

综上，该工作充分证明了通过调节端基单元设计宽带隙PSMA的方法的有效性，并证实了共聚单元调控在改善光伏性能方面的重要性。相关研究成果国际材料著名学术期刊《Journal of Materials Chemistry A》上，题为“Rationally regulating the terminal unit and copolymerization spacer of polymerized small-molecule acceptors for all-polymer solar cells with high open-circuit voltage over 1.10 V”。

本文关键词：全聚合物有机太阳能电池，聚合物受体，分子设计，端基修饰。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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