近日，我校化學系副教授何鳳課題組設計合成了一種基于苯并[1,2-b:4,5-c’]二噻吩-4,8-二酮的聚合物給體材料pbtt-f，成果制備了能量轉化效率為16.1%的單節聚合物太陽能電池。相關研究在材料領域頂級期刊advanced materials（if：21.950）線上發表。
人類和整個地球生物圈生存于太陽的光照和庇護之下。太陽每年送給人類的能量相當于100億度的電能，而且不會産生污染，是人類最理想的能源。是以，有機太陽能電池技術的進步對人類的可持續發展具有非常重要的意義。
非富勒烯本體異質結聚合物太陽能電池的活性層主要由聚合物給體和稠環電子受體所組成。自從稠環電子受體itic發現以來，聚合物太陽能電池的效率得到了快速提升。但和電子受體材料相比，聚合物給體的相關研究仍處于滞後狀态。
噻吩并[3,4-b]噻吩（tt）單元因其具有醌氏共振結構，可有效使得相應聚合物吸收光譜向長波長範圍移動。含有tt單元的代表性聚合物給體材料ptb7在富勒烯時代獲得了7.4%的世界紀錄效率。随後，具有二維側鍊結構的ptb7-th與itic共混，将非富勒烯太陽能電池的效率提高到了6.8%，這也是非富勒烯聚合物太陽能電池效率革新過程中的重要突破性進展。
圖1. (a)聚合物pbtt-f的結構,；(b)單體和聚合物pbtt-f的合成路線
衡量太陽能電池性能的關鍵名額是其光電轉化效率，是以通過設計合成新的聚合物來提高電池的轉化效率成為研究的關鍵。最近，該團隊制備了新的聚合物給體材料pbtt-f（圖1）。該聚合物核心建構單元ttdo具有合成簡單、産率高的特點，适合大量制備；此外，ttdo在繼承了tt單元的醌氏共振的基礎上，又進一步提高了吸電子能力，有利于增強d-a型聚合物分子内的電荷轉移，使得該類材料在有機太陽能電池中具有很好的應用前景。
圖2. (a)bdto和ttdo的化學結構式及其理論計算的紫外可見吸收光譜；(b)bdto和ttdo在溶液中的紫外可見吸收光譜；(c)ttdo單元的單晶結構及其垂直投影視圖；(d)bdto單元的單晶結構及其垂直投影視圖；(e)ttdo的分子間的堆積；(f)bdto分子間的堆積
課題組通過理論模拟發現，ttdo的吸收光譜相對于bdto發生了明顯紅移，其與實際測得的吸收光譜結果類似（圖2a，2b）。同時從二者的單晶結果可發現（圖2c-2f），ttdo分子間具有明顯的部分重疊，而bdto分子間幾乎沒有任何重疊，而且ttdo分子間的距離也比bdto小，這些結果表明ttdo分子間的互相作用強于bdto，其很好地解釋了ttdo光譜紅移的原因。
圖 3. 光伏性能: (a)pbtt-f: y6電池的j–v曲線；(b)器件穩定性測試
如圖3所示，在器件制備方面，課題組選取了與pbtt-f吸收互補能級比對的受體材料y6共混制備了單節倒置器件，獲得了16.1%的光電轉化效率。當pbtt-f:y6共混膜厚度增加至190 納米時，該器件仍能獲得14.2%的能量轉化效率，這對聚合物太陽能電池的大面積制備具有重要意義。器件同時也呈現出良好的穩定性，以及對不同受體材料和界面都具有較好的普适性。
二維掠入射廣角x射線散射（2d-giwaxs）實驗表明，pbtt-f:y6混合膜在面外（out-of-plane）方向具有明顯的面朝上排列方式，有利于活性層中載流子在電極間的有效垂直傳輸（圖4a-4d）。進一步實驗中，課題組通過原子力顯微鏡（afm）和透射電鏡（tem）探究了pbtt-f:y6混合膜的形貌，發現其具有明顯的相分離區域，每一個區域之間有二維連續的纖維網絡結構互相連接配接，每一個區域中又有明顯的相分離和納米纖維結構 （圖4e-4f）。這有助于激子的分離和載流子的傳輸，有利于提高電流密度和填充因子，最終提升器件效率。
該工作為聚合物給體的設計提供了新思路，表明pbtt-f是一個非常有潛力的聚合物，為衆多的受體材料提供了另外一種新的高效給體材料選擇。
圖4. 二維掠入射廣角x射線散射圖：(a)pbtt-f；(b)y6；(c)pbtt-f:y6 混合膜；(d)giwaxs 面外取向的曲線；(e)優化條件下pbtt-f:y6 混合膜的afm 高度圖；(f)優化條件下的pbtt-f:y6 混合膜的tem圖
南科大-北京大學聯合培養博士生晁鵬傑、課題組研究助理教授陳晖為論文的共同第一作者，何鳳為論文的唯一通訊作者。
該研究得到了國家自然科學基金、廣東省引進創新科研團隊、深圳市科創委基礎研究等項目以及深圳格拉布斯研究院和南方科技大學分析測試中心的大力支援。
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