化學所二維共軛聚合物光伏材料的分子設計研究獲系列進展

2020-12-06 中國科學院

聚合物光伏材料的分子結構與其光伏性能具有十分密切的關係。根據目前報導的結果來看，對光伏聚合物的分子結構優化大多是針對某一個聚合物來進行的，也就是說，對於不同的分子結構，人們需要採用不同的方式對其進行優化。這不僅增大了分子結構優化工作的難度，也容易導致錯過很多具有潛力的分子結構單元。因此，找到一種能改善聚合物光伏性能的具有廣泛適用性的方法將是一項十分重要的工作。

在中國科學院、科技部、國家自然科學基金委的大力支持下，最近，化學研究所高分子物理與化學國家重點實驗室和有機固體院重點實驗室在聚合物光伏材料的分子結構設計方面取得了系列進展。

研究人員將二維共軛結構引入到苯並二噻吩(BDT)單元中，設計了如圖1所示的噻吩取代BDT二維共軛結構單元，並將這一單元與各種共軛結構單元共聚，獲得了一系列的具有二維共軛結構的共軛聚合物（見圖1）。光伏測試結果表明，這類二維共軛聚合物與烷氧基取代的對應聚合物相比，光伏能量轉換效率（PCE）都得到了有效的提升（見圖1和圖2，相關結果發表於Macromolecules 2011, 44, 4035；Macromolecules 2012, 45, 3032；Macromolecules 2012, DOI:10.1021/ma301254x；Chem. Commun. 2011, 47, 8850；J. Mater. Chem. 2012, DOI: 10.1039/c2jm32931j）。其中，基於二維共軛聚合物PBDTTT-C-T的聚合物太陽能電池的效率提高到7.6%（Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 9697）。研究人員與香港大學合作，通過使用新型器件結構，使PBDTTT-C-T的光伏效率進一步提高到8.79% (Adv. Mater., 2012, 24, 3046)。他們還與美國麻省大學的研究人員合作，通過射掠X射線衍射對聚合物太陽能電池活性層形貌進行了清晰的表徵（Adv. Mater., 2012, 24）。

同時，研究人員還把強吸電子基團sulfonyl引入到聚合物PBDTTT中合成了PBDTTT-S，該聚合物具有較低的HOMO能級，基於PBDTTT-S的光伏器件PCE達到6.22%，開路電壓達到0.76 V（Chem. Commun. 2011, 47: 8904）。最近，他們通過插入噻吩p-橋和噻吩取代製備了二維共軛聚合物PBDTDTTT-S-T，該聚合物具有較好的平面結構和較強的鏈間相互作用，基於PBDTDTTT-S-T的聚合物太陽能電池的PCE最高達到7.81%（Adv. Mater., 2012, 24, 3383）。

需要指出的是，採用二維共軛概念對聚合物的光伏性能進行改進是2004年由化學所研究人員首次提出（專利：（1）「一種支鏈共軛聚噻吩衍生物材料及其製備方法」，專利號：ZL 2004 1 0088723.8；（2）「一種兩維共軛聚合物及其製備方法與應用」，專利號：ZL 2005 1 0132380.5；代表性論文：J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 4911；Macromolecules, 2006, 39, 594）。目前取得的研究成果是他們二維共軛聚合物光伏材料研究工作的有力延續。

 

圖1 兩維共軛BDT單元與兩維共軛聚合物的分子結構結構示意圖

 

圖2 含噻吩共軛支鏈的二維共軛聚合物與含烷氧基支鏈的非二維共軛聚合物光伏性能對比（青色——非二維共軛聚合物；橙色——二維共軛聚合物）

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