聚合物太阳能电池（PSCs）作为新一代太阳能利用技术，具有制备工艺简单、重量轻、可制备成柔性器件和半透明器件等优点。当前，PSCs的能量转换效率（PCE）已经接近19%，达到了商业化应用的要求。然而，当前报道的性能优异的光伏材料（包括给体和受体）普遍合成复杂，合成成本过高，具体表现为分子结构复杂、合成路线长、纯化步骤多且合成产率低，这极大地限制了PSCs的商业化应用。
针对这个问题，近日郑州大学化学学院孙晨凯课题组和中科院化学所李永舫院士团队合作开发了一个低成本且性能优异的α位氟取代的双噻吩基苯并二噻吩单元（α-BDTT-F），并将其应用于高效聚合物给体材料的构筑。相关成果发表在ACS Appl. Mater. Interfaces 上，郑州大学化学学院硕士研究生张文庆为论文第一作者，郑州大学孙晨凯博士（直聘教授）、中科院化学所李永舫院士、孟磊研究员为共同通讯作者。
相较于传统的β位氟取代的双噻吩基苯并二噻吩（BDTT-F）单元，α位氟取代的α-BDTT-F单元拥有更短的合成路线，更高的合成产率和更少的纯化次数（见图1），因此具有更低的成本，这有利于大规模制备和商业化应用。
通过密度泛函理论（DFT）计算结果，α-BDTT-F单元与BDTT-F单元中侧链噻吩单元和苯并二噻吩核之间的扭转势垒曲线非常相似，说明这两个单元的空间位阻效应相似（图2）。在这两个单元的最优构象中，侧链噻吩与苯并二噻吩核形成的二面角都接近于65°。值的注意的是，α-BDTT-F单元拥有相对较小的二面角，表明其共平面性以及π电子共轭效应更好。同时，计算表明α-BDTT-F单元的HOMO能级较高，这一结果与实验测得的聚合物能级一致（图3）。
基于α-BDTT-F单元构筑的聚合物给体α-PBQ10与受体Y6制备的太阳能电池最终获得了16.26%的效率，进一步引入富勒烯受体ICBA制备了三元器件来调控光活性层的形貌，将效率提升至16.77%。
图3. (a) 材料的分子结构、(b) 吸收光谱、(c) 能级以及(d) PSCs器件结构图
这项工作为低成本高效的光伏材料的分子设计提供了新的思路，对推动PSCs从实验室走向商业化具有重大意义。
A Cost-Effective Alpha-Fluorinated Bithienyl Benzodithiophene Unit for High-Performance Polymer Donor Material
Wenqing Zhang, Chenkai Sun*, Shucheng Qin, Ziya Shang, Shaman Li, Can Zhu, Guang Yang, Lei Meng*, and Yongfang Li*
ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, DOI: 10.1021/acsami.1c15278
https://www.x-mol.com/university/faculty/324965
https://www.x-mol.com/university/faculty/15474
点击“阅读原文”，查看 化学 • 材料 领域所有收录期刊
X-MOL资讯