陈军武/张连杰 Advanced Materials：硅氧烷修饰低成本共轭骨架制备新型聚合物实现有机太阳电池效率超19%- 大数跨境

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陈军武/张连杰 Advanced Materials：硅氧烷修饰低成本共轭骨架制备新型聚合物实现有机太阳电池效率超19%

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2024-01-27

导读：陈军武/张连杰 Advanced Materials：硅氧烷修饰低成本共轭骨架制备新型聚合物实现有机太阳电池效率超19%

文章信息

低成本给体聚合物经少量硅氧烷侧链修饰实现有机太阳能电池效率超19%

第一作者：陈星

通讯作者：陈军武教授、张连杰副教授

通讯单位：华南理工大学

文章简介

本体异质结(BHJ)有机太阳电池(OSCs)因其材料种类丰富、重量轻、柔性、可溶液加工等特点在可再生能源技术领域极具前景。随着高性能非富勒烯受体的出现，单结OSCs效率已经超过19%，开创OSC新时代。为了与高性能非富勒烯受体配对，研究人员付出巨大的努力，开发一系列以苯并二噻吩(BDT)为单元的聚合物给体，如PM6和D18，及其无规共聚物。然而，BDT基聚合物给体因其高合成复杂性和高生产成本不利于OSCs的大规模工业制造。为此，化学结构简单、成本低的聚合物给体对OSCs的商业化应用具有重要意义。近日，华南理工大学陈军武教授团队合成了以6,7-二氟-3-甲基喹喔啉-噻吩为骨架，侧链含5%硅氧烷修饰的侧链无规共聚物PMQ-Si605。该聚合物具有简单的骨架，使有机太阳电池的效率超过19%，并且展现出在高湿度空气中加工时很好地保持高性能。

研究背景

目前，研究者开发出一些具有简单重复结构单元和低合成复杂度的聚合物给体，其中，具有代表性的聚合物给体有PTQ10，其二元效率已经超过18%，展现出良好的应用前景。然而，由于这种喹喔啉-噻吩简单骨架的限制，化学修饰难度较大，例如报道的不同取代情况的PTQ7、PTQ8和PTQ9的器件效率在0.90% ~ 10.5%之间，Sun等人报道的另一种简单的聚合物PTQ11获得器件效率为16.32%，均低于PTQ10。

针对该挑战，华南理工大学陈军武教授团队合成了以6,7-二氟-3-甲基喹喔啉-噻吩为简单骨架且侧链含5%硅氧烷修饰的侧链无规共聚物PMQ-Si605，并与其交替共聚物PTQ11进行比较。发现，相比于PTQ11（Mn=28.3 kg mol^-1），含有少量硅氧烷修饰的无规共聚物PMQ-Si605有利于获得更高的分子量（Mn = 51.1 kg mol^-1）。此外，PMQ-Si605具有更强的聚集能力，飞秒瞬态吸收光谱显示，其在活性层中表现出更快的激子迁移速度和更高效的激子解离。基于PMQ-Si605:L8-BO-F的OSCs的光电转换效率为18.08%，远高于PTQ11: L8-BO-F器件的16.21%。再者，受体BTP-H2与PMQ-Si605搭配时，二元和三元OSCs的器件效率分别提高到18.50%和19.15%，这是迄今为止报道的含硅氧烷活性层材料的效率最高值。该研究结果表明，聚合物修饰少量硅氧烷是一种有效策略。

图文分析

图1. (a)聚合物PTQ10、PTQ11和PMQ-Si605的化学结构；(b)含硅氧烷给/受体在OSCs中效率超过10%的总结图。

图2. (a, b) PTQ11和PMQ-Si605溶液的温度依赖性紫外可见光谱；(c) PTQ11、PMQ-Si605和L8-BO-F薄膜吸收光谱；(d)能级图；(e, f)基于PTQ11:L8-BO-F和PMQ-Si605:L8-BO-F活性层的J-V曲线和EQE曲线；(g) PTQ11和PMQ-Si605纯膜的空穴迁移率以及它们与受体L8-BO-F共混膜的空穴迁移率和电子迁移率；(h, i)基于PTQ11:L8-BO-F和PMQ-Si605:L8-BO-F的OSCs在N₂中的储存稳定性和在太阳光照模拟器连续光照下的器件稳定性（光强:100 mw cm^-2，器件温度:55 ℃）。

图3. (a, b)混合膜在830 nm激发下的二维彩色瞬态吸收(TA)光谱；(c, d)在延迟时间下的代表性光谱；(e, f)共混膜在600 nm处的TA追踪。

图4. (a)不同加工条件下PTQ11:L8-BO-F和(b) PMQ-Si605:L8-BO-F基OSCs的J-V曲线；(c)不同加工条件下制备的PTQ11和PMQ-Si605基OSCs的平均效率比较。

图5. (a)非富勒烯受体BTP-H2的化学结构；(b, c)在N₂手套箱中加工的PMQ-Si605:BTP-H2二元器件J-V曲线和EQE曲线；(d)聚合物供体PM6的化学结构；(e, f)在N₂手套箱中加工的PMQ-Si605:PM6:BTP-H2三元器件J-V曲线和EQE曲线。

本文要点

本研究结果发现，与交替共聚物PTQ11相比，端部带有部分硅氧烷侧链的无规共聚物PMQ-Si605有利于聚合链的增长，获得更高分子量的聚合物，无规共聚物PMQ-Si605的分子量可达51.1 kg mol^-1，显著高于交替共聚物PTQ11的28.3 kg mol^-1。此外，PMQ-Si605具有更强的聚集能力、更快的激子迁移速率和更好的环境加工性能，特别是高湿度空气加工优势。PMQ-Si605:L8-BO-F活性层在氮气手套箱和相对湿度为90%空气中加工的器件效率分别为18.08%和17.47%，远高于PTQ11:L8-BO-F活性层的16.21%和14.22%。PMQ-Si605与受体BTP-H2搭配可以进一步优化其光伏性能，构建的二元和三元器件效率分别为18.50%和19.15%，此外，基于PMQ-Si605:BTP-H2的活性层在高湿度（RH 90%）空气中加工，获得18.11%的效率。这是迄今为止报道的含硅氧烷材料在OSCs中的最高值。综上所述，硅氧烷修饰聚合物是一种很有前途的材料设计，可以构建出高性能、低成本的候选材料。

文章链接

Polymer Donor with a Simple Skeleton and Minor Siloxane Decoration Enables 19% Efficiency of Organic Solar Cells

https://doi.org/10.1002/adma.202313074

通讯作者简介

陈军武：男，1968年生，博士，华南理工大学材料学院教授，国家杰出青年科学基金获得者，广东省珠江学者特聘教授，博士生导师。分别于1989和1992年在四川大学（原成都科技大学）获得高分子化工学士和化学纤维硕士学位，1992年到华南理工大学任教至今，1998年在华南理工大学获高分子材料博士学位，2000-2002在香港科技大学化学系进行博士后研究工作。2005年入选教育部新世纪优秀人才，2012年国家杰出青年科学基金获得者，2015年国家自然科学基金委创新群体骨干成员。获国家自然科学奖二等奖两项（2010年和2015年，排名第四）。首先提出了聚集诱导发光（AIE）的转动受限RIR机制，有力推动AIE科学的发展；开展了多系列含silole聚合物的研究；发展了多种光电器件阴极界面修饰聚合物材料；通过强链间聚集构筑高迁移率共轭聚合物给体材料，面向印刷加工实现了高效率厚膜光伏器件，及应用于有机光伏活性层形貌调控的新型快干型溶剂添加剂和固体添加剂。

在Acc. Chem. Res., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., EES, Adv. Funct. Mater., Adv. Energy Mater., Chem. Mater., Macromolecules,等学术期刊发表SCI收录论文150余篇。Elsevier 2020、2021、2022年中国高被引学者（材料科学与工程）。

张连杰：男，华南理工大学副教授、硕士生导师，博士毕业于华南理工大学，“吴小兰教书育人奖”获得者。研究方向为有机聚合物光电材料与器件研究，在Adv. Mater., EES, Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater.,等学术期刊发表SCI收录论文80余篇。。