青岛大学薄志山&刘亚辉&路皓团队：用于高效二元和三元有机太阳能电池的氯噻唑基的低成本聚合物给体

原创        CCS Chemistry        CCSChemistry        2023-11-07 16:05 发表于北京    

近日，青岛大学薄志山教授课题组成功通过逐步氯化合成了一系列新型D-A交替聚合物（PJ-1、PJ-2和PJ-3），其中包括了（氯化）苯并二噻吩和（氯化）噻唑单元。这些聚合物的合成过程简便，可通过几个步骤轻松获取。尤其是，PJ-1展现出高效的聚合物材料特性，包括适当的能级、结晶度和电荷传输能力。基于PJ-1的二元和三元有机太阳能电池（OSC）分别实现了15.02%和19.12%的光电转换效率（PCE），在已报道的三元OSC中属于最高之一。值得一提的是，基于PJ-1的器件还呈现出极高的品质因数（FOM）值，预示着它们在未来应用中具备良好的潜力。这项研究为研发成本效益和高性能的聚合物给体提供了重要的见解和支持。

     

背景介绍：

     

在有机太阳能电池（OSC）领域，由于其轻便、大面积加工、柔性和半透明等优势，近年来备受关注。最新的研究进展，特别是关键材料的创新，如新型给体和受体材料，显著提升了OSC的光电转换效率。近期，研究人员合成了多种窄带隙非富勒烯受体材料，如ITIC、Y6等。当前，单结和串联结OSC已分别展示出超过19%和20%的PCE，显示出在实际应用中具有巨大前景。然而，相较于受体材料的丰富选择，高性能聚合物给体的种类相对有限。通常，高性能聚合物给体需要具备以下基本元素：首先，与窄带隙受体材料相互补的吸收光谱，以确保太阳能光子得以最大程度利用；其次，适当的电荷转移能级；再者，适度的聚集行为，确保共混膜具有合适的纳米级相分离。在设计新型高性能聚合物给体时，要同时满足这些先决条件并非易事。目前，广泛使用的高性能聚合物给体，如D18、PM6及其衍生物，均采用给体-受体（D-A）交替结构。然而，这些聚合物的合成复杂而昂贵。以D18和PM6为例，氟化苯并二噻吩（BDT）（D单元）和合成复杂的稠环A单元是合成上的主要挑战。

     

本文亮点：

在这项研究中，为了降低合成成本，我们选择了（氯化的）BDT单元作为D单元。此外，我们选用了简便的（氯化的）噻唑作为A单元，这些单元可以市售或者仅需一步合成即可获得。因此，通过有意增加氯原子，我们逐步设计合成了PJ-1、PJ-2和PJ-3。由于BDT和噻唑单元引发的弱分子内电荷转移，这些聚合物具有宽的光学带隙，其吸收光谱与通常使用的窄带隙受体形成互补。此外，作为吸电子单元，引入（氯化的）噻唑单元可以降低HOMO能级，逐步氯化还能微调聚合物给体的能级。此外，分子内的S-N和Cl-S相互作用确保了聚合物骨架的平面性，促进了电子离域。氯原子的引入还能增强分子间相互作用，诱导适当的聚集行为，从而优化共混膜的形态。在这三种聚合物中，PJ-1展现了适当的结晶度、能级和电荷传输迁移率等性质。在与窄带隙受体BTP-eC9-4F共混后，基于PJ-1:BTP-eC9-0F的器件实现了15.02%的效率，而PJ-2:BTP-eC9-14F和PJ-3:BTP-eC9-24F分别只能提供1.61%和0.32%的PCE。值得注意的是，通过将PJ-1分别引入到D18:BTP-eC9-4F或D18:L8-BO二元系统中，三元器件分别取得了惊人的18.16%和19.02%的PCE。PJ-1不仅结构简单、合成难度低，而且光伏性能卓越，具有极高的商业化潜力。这项研究为低成本、高性能的聚合物给体材料提供了宝贵的启示和支持。

           

总结与展望：

总的来说，通过对D单元（BDT）和A单元（噻唑）进行氯化反应的微调，我们成功设计并合成了三种低成本的宽带隙聚合物给体，分别是PJ-1、PJ-2和PJ-3。分子内的S-N和Cl-S相互作用使得分子骨架平坦化，促进了电荷传输，而氯原子的引入导致的分子间相互作用则赋予了适当的聚集行为，优化了共混膜的形态。在这三种聚合物中，PJ-1，具有BDT和氯化噻唑的成分，表现出了适当的能级、结晶度和聚集行为等优异性能。此外，在与受体BTP-eC9-4F的共混中，基于PJ-1:BTP-eC9-4F的OSC表现出更高、更平衡的载流子迁移率、更有效的电荷转移和卓越的光伏性能，其PCE达到了15.01%，远超过PJ-2:BTP-eC9-4F（1.61%）和PJ-3:BTP-eC9-4F（0.32%）。值得注意的是，通过分别将PJ-1引入到D18:BTP-eC9-4F或D18:L8-BO二元体系中，三元器件分别获得了18.16%或19.02%令人惊讶的PCE。此外，考虑到PJ-1结构简单、易于合成，与传统高性能聚合物给体（D18、PM6等）相比，PJ-1具有较高的FOM值。总的来说，这项工作为低成本和高性能聚合物给体的开发和设计提供了宝贵的启示。      

文章详情：

Chlorinated thiazole based low-cost polymer donors for high efficiency binary and ternary organic solar cells

Hao Lu†, Hang Wang†, Guangliu Ran, Wenlong Liu, Hao Huang, Xiaolin Jiang, Yahui Liu*, Xinjun Xu and Zhishan Bo*

Cite this by DOI:

10.31635/ccschem.023.202303239

文章链接：

https://doi.org/10.31635/ccschem.023.202303239制