中国科学院化学研究所李永舫院士团队通过侧链工程优化、合成了基于含烷基氯代噻吩侧链的二氟喹喔啉A-单元与含烷基氟代噻吩侧链的苯并二噻吩D-单元的D-A共聚物给体光伏材料PBQ9，使用m-TEH为受体的聚合物太阳电池(PSC) 能量转化效率（PCE）达到了18.81％（中国计量科学院认证PCE为18.33%），比基于其对应的烷基氯代噻吩侧链的聚合物给体PBQ6的器件PCE（18.41％）进一步提高。18.81％是目前二元有机太阳电池最高效率之一。
背景介绍：
聚合物太阳电池(PSC)因其质量轻、机械柔韧性好、可选材料多和可溶液加工性等优点而受到广泛关注。2019年报道窄带隙A-DA’D-A型小分子受体Y6以来，单结PSCs的能量转换效率（PCE）迅速提升，最近达到了18%~19%的水平。这得益于小分子受体和宽带隙共聚物给体的分子结构优化和发展。但是目前效率超过18%的PSCs大多基于三元体系（两个给体一个受体或者是一个给体两个受体）或者是使用三元共聚的聚合物给体，这些都增加了器件制备和材料合成的复杂程度。
本文亮点：
中国科学院化学研究所有机固体院重点实验室李永舫课题组在基于二氟取代喹喔啉（DFQ）受体单元（A-单元）的D-A共聚物给体光伏材料的研究中取得系列重要进展。2018年，合成了结构简单（噻吩为D-单元）、合成步骤少的喹喔啉类D-A共聚物给体材料PTQ10。随后，又将DFQ A-单元与带烷基氟代噻吩共轭侧链的苯并二噻吩（BDTT）D-单元进行共聚，合成了新型D-A共聚物给体PBQ10，使用Y6为受体，使基于PBQ10的PSC的能量转换效率达到了16.34%。为了进一步探索DFQ单元用于制备高性能聚合物给体的潜力，通过侧链工程利用不同侧链取代的DFQ单元、氟取代的BDTT单元和以噻吩为π桥进行共聚，得到了两种新型D-A共聚物给体PBQ5和PBQ6，基于PBQ6的PSC能量转换效率达到了17.62%。
图1. (a) 聚合物给体PBQ6和PBQ9的分子结构；（b）PBQ6、PBQ9和小分子受体m-TEH薄膜的吸收光谱;（c）PBQ6、PBQ9和m-TEH的LUMO和HOMO能级。
近日，他们采用氯原子取代PBQ6的DFQ单元上烷基氟代噻吩侧链中的氟原子，合成了一种新的聚合物给体PBQ9。与烷基氟代噻吩侧链相比，从原料到烷基氯代噻吩侧链的合成更加简便，从而可以显著降低材料合成的成本。
综上所述，该研究采用侧链工程策略，合成了D-A共聚物给体光伏材料PBQ9，使用m-TEH为受体的聚合物太阳电池(PSC) 能量转化效率（PCE）达到了18.81％（中国计量科学院认证PCE为18.33%）。18.81％是迄今为止报道的二元有机/聚合物太阳电池最高效率之一。该材料为有机/聚合物太阳电池的实际应用奠定了物质基础。相关结果以Research Article的形式在CCS Chemistry “Just Published”在线发表。
文章详情：
High Performance D-A Copolymer Donor Based on Difluoroquinoxaline A-unit with Alkyl-chlorothiophene Substituents for Polymer Solar Cells Efficiency of Organic Solar Cells
Can Zhu†, Ke Hu†, Lei Meng*, Xiaolei Kong, Wenbin Lai, Shucheng Qin, Beibei Qiu, Jinyuan Zhang, Zhanjun Zhang, Yilei Wu*, Xiaojun Li* and Yongfang Li*
Cite this by DOI：10.31635/ccschem.022.202202491
文章链接：https://doi.org/10.31635/ccschem.022.202202491中国化学会
Chemsoc
长按扫码关注我们