新型苯并呋喃共轭聚合物助力低能量损失、高开路电压聚合物太阳能电池学术资讯

来源：X一MOL资讯

最近五年，随着非富勒烯小分子受体材料的出现与发展，低成本、质量轻、柔性聚合物太阳能电池的能量转化效率获得了极大提升。为了进一步提升聚合物太阳能电池效率，发展与非富勒烯小分子受体材料光谱互补且能级匹配的高性能宽带隙聚合物给体材料具有重大的研究意义。基于原材料来源广泛且环保、分子易于合成、共轭性强、载流子迁移率高的优点，苯并呋喃单元在构筑高性能聚合物给体材料方面逐渐引起科研人员的研究兴趣。然而，由于苯并呋喃基聚合物材料自身带隙与聚合物太阳能电池开路电压存在较大偏差，相应的聚合物太阳能电池面临着较大的内部能量损失，限制了其光伏性能的提升。为了实现苯并呋喃基聚合物分子轨道能级与器件开路电压的兼容性提升，降低相关器件的内部能量损失，有效地调控其分子结构成为一种提升聚合物太阳能电池效率的关键所在。
基于上述考虑，河南大学谭付瑞副教授课题组与中科院半导体所王智杰研究员课题组通过聚合物侧链调控策略，将氟原子与烷硫基苯同时引入苯并呋喃单元侧链，设计合成了新型苯并呋喃基共轭聚合物PBDFP-Bz。如图1所示，由于苯并呋喃自身骨架较好的刚性结构与氟原子/硫原子与PBDFP-Bz分子内的非共价键相互作用，PBDFP-Bz展现出较好的共轭平面，较强的分子间相互作用、与小分子受体彩料ITIC或IT-M较佳的光电性能匹配度。

图1. PBDFP-Bz的分子结构与光物理性能
在聚合物太阳能电池器件优化方面（图2），该工作发现了利用添加剂优化处理、温度退火优化处理与甲醇浸润后处理的协同策略可以实现PBDFP-Bz：ITIC基器件活性层的P-i-N型空间分布，继而极大地提升了器件的载流子传输与收集能力，使器件获得11.10%的可观光电转化效率、0.97 V的开路电压和0.60 eV的能量损失。此外，该研究团队发现通过合理筛选非富勒烯小分子受体材料种类，基于PBDFP-Bz：IT-M的器件可获得12.93%的较高光电转化效率，而且器件开路电压达到1.02 V，能量损失小至0.57 eV（图3）。更为重要的是，基于PBDFP-Bz的器件在300 nm活性层（光敏层）厚度范围内表现出很好的输出效率，而且优化条件下的器件对空气、光照表现出较好的稳定性。

图2. PBDFP-Bz：ITIC共混膜经不同工艺处理的形貌、空间构型及器件效率变化

图3. 基于PBDFP-Bz和已报道苯并呋喃基聚合物的器件性能对比图
该工作不仅证明了PBDFP-Bz是一类高效的聚合物光伏材料，也为新型高效光伏聚合物材料提供了分子设计指导。相信通过继续筛选并匹配更加合理的非富勒烯小分子受体材料，基于PBDFP-Bz的器件效率可进一步提升。

来源：X-molNews X一MOL资讯

原文链接：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwOTExNzg4Nw==&mid=2657649426&idx=4&sn=9e77ebda42b4151c32072b36cf85c7b4&chksm=80f8aac2b78f23d41e985aa4992e148ffbbb86f5c4c66f8d6061352e399f1d42dd8fc39b1c19&scene=27#wechat_redirect

电话：（010）86409582

邮箱：kejie@scimall.org.cn