ACS Appl. Energy Mater. | 氟含量對聚噻吩衍生物分子間相互作用...

2020-12-06 騰訊網

英文原題：Backbone Fluorination of Polythiophenes Improves Device Performance of Non-Fullerene Polymer Solar Cells

作者：Xiao'e Jia, Gongchu Liu, Shanshan Chen（陳姍姍）, Zhenchao Li, Zhenfeng Wang, Qingwu Yin, Hin-Lap Yip, Changduk Yang, Chunhui Duan（段春暉）, Fei Huang（黃飛）and Yong Cao（曹鏞）

通訊作者：陳姍姍，重慶大學；段春暉，華南理工大學；黃飛，華南理工大學

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在成千上萬種有機共軛聚合物中，聚噻吩衍生物材料由於它們結構簡單、易於合成、具有優異的空穴遷移率和成本低等優點仍然是最有希望進行商業化大規模生產的候選者之一，並廣泛應用於許多類型的光電器件中，其中包括聚合物太陽電池、鈣鈦礦太陽電池和有機場效應電晶體等。近年來，非富勒烯受體的快速發展對於與之匹配的給體材料提出了新的要求。相對於富勒烯體系，聚噻吩衍生物作為聚合物太陽電池的給體材料在非富勒烯體系中的研究相對較少。如何設計並開發出更多適用於非富勒烯受體的聚噻吩給體材料是一個重要而又具有挑戰性的課題。

一方面，在聚合物的共軛主鏈上引入氟（F）原子可以降低聚合物的HOMO能級、提高聚合物的平面性和結晶性；另一方面，氟化對聚合物的性質會產生負面的影響，例如降低溶解度和引起嚴重的聚集現象。因此，為了獲得更高性能的聚合物給體材料，系統而具體的優化共軛主鏈的氟含量是十分必要的。

基於以上的考慮，華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室曹鏞院士團隊的段春暉教授、黃飛教授等人報導了氟含量對聚噻吩衍生物分子間相互作用和器件性能的影響。作者通過改變3,3'-二氟-2,2'-聯噻吩（2F-TT）單元與2,2'-聯噻吩（TT）單元之間的比例，設計併合成了一系列具有不同氟含量的聚噻吩衍生物（P6T-Fx）。選用EH-IDTBR作為受體製備了聚合物太陽電池器件，深入比較了不同的氟含量對器件的光伏性能產生的影響。

圖1. 目標聚合物P6T-Fx和受體EH-IDTBR的化學結構

隨著氟含量的增加，聚合物的結晶度、吸收係數、空穴遷移率和介電常數逐漸提高。

圖2. (a)聚合物的DSC曲線；(b)薄膜的吸收係數；(c)聚合物的空穴遷移率；(d)聚合物和共混膜的介電常數

聚合物給體材料P6T-Fx與非富勒烯受體EH-IDTBR共混後，隨著氟含量的增加，共混膜的激子束縛能降低、螢光淬滅效率提高，說明活性層中的電荷轉移和傳輸更為有效。

圖3 共混膜的 (a)CT態激子束縛能；(b)螢光淬滅效率

隨著氟含量的增加，共混膜的電荷複合逐漸減弱，說明氟含量的增加可以有效地抑制電荷的複合，有利於提高器件的Jsc和FF。

圖4. (a)Jsc對光照強度的依賴；(b)Voc對光照強度的依賴；(c)瞬態光電流；(d)瞬態光電壓

最終，器件的能量轉換效率(PCE)從基於P6T-F00:EH-IDTBR器件的4.3%提高到基於P6T-F100:EH-IDTBR器件的7.3%，高於目前基於P3HT的二元非富勒烯聚合物太陽電池器件。

圖5. 器件的 (a)Jsc和Voc；(b)FF和PCE隨聚合物氟化度的變化趨勢

相關研究成果以Backbone Fluorination of Polythiophenes Improves Device Performance of Non-Fullerene Polymer Solar Cells為題已在線發表在ACS Appl. Energy Mater.期刊上（DOI: 10.1021/acsaem.9b01532），論文第一作者為華南理工大學的賈小娥、劉功礎和重慶大學的陳姍姍博士，通訊作者為陳姍姍博士、段春暉教授、黃飛教授。該工作得到了中國國家自然科學基金等項目的經費支持。

ACS Appl. Energy Mater.2019, ASAP

DOI: 10.1021/acsaem.9b01532

Publication Date: September 11, 2019

Copyright 2019 American Chemical Society

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