近日，我校化学系副教授何凤课题组设计合成了一种基于苯并[1,2-b:4,5-c’]二噻吩-4,8-二酮的聚合物给体材料pbtt-f，成果制备了能量转化效率为16.1%的单节聚合物太阳能电池。相关研究在材料领域顶级期刊advanced materials（if：21.950）在线发表。
人类和整个地球生物圈生存于太阳的光照和庇护之下。太阳每年送给人类的能量相当于100亿度的电能，而且不会产生污染，是人类最理想的能源。因此，有机太阳能电池技术的进步对人类的可持续发展具有非常重要的意义。
非富勒烯本体异质结聚合物太阳能电池的活性层主要由聚合物给体和稠环电子受体所组成。自从稠环电子受体itic发现以来，聚合物太阳能电池的效率得到了快速提升。但和电子受体材料相比，聚合物给体的相关研究仍处于滞后状态。
噻吩并[3,4-b]噻吩（tt）单元因其具有醌氏共振结构，可有效使得相应聚合物吸收光谱向长波长范围移动。含有tt单元的代表性聚合物给体材料ptb7在富勒烯时代获得了7.4%的世界纪录效率。随后，具有二维侧链结构的ptb7-th与itic共混，将非富勒烯太阳能电池的效率提高到了6.8%，这也是非富勒烯聚合物太阳能电池效率革新过程中的重要突破性进展。
图1. (a)聚合物pbtt-f的结构,；(b)单体和聚合物pbtt-f的合成路线
衡量太阳能电池性能的关键指标是其光电转化效率，因此通过设计合成新的聚合物来提高电池的转化效率成为研究的关键。最近，该团队制备了新的聚合物给体材料pbtt-f（图1）。该聚合物核心构建单元ttdo具有合成简单、产率高的特点，适合大量制备；此外，ttdo在继承了tt单元的醌氏共振的基础上，又进一步提高了吸电子能力，有利于增强d-a型聚合物分子内的电荷转移，使得该类材料在有机太阳能电池中具有很好的应用前景。
图2. (a)bdto和ttdo的化学结构式及其理论计算的紫外可见吸收光谱；(b)bdto和ttdo在溶液中的紫外可见吸收光谱；(c)ttdo单元的单晶结构及其垂直投影视图；(d)bdto单元的单晶结构及其垂直投影视图；(e)ttdo的分子间的堆积；(f)bdto分子间的堆积
课题组通过理论模拟发现，ttdo的吸收光谱相对于bdto发生了明显红移，其与实际测得的吸收光谱结果类似（图2a，2b）。同时从二者的单晶结果可发现（图2c-2f），ttdo分子间具有明显的部分重叠，而bdto分子间几乎没有任何重叠，而且ttdo分子间的距离也比bdto小，这些结果表明ttdo分子间的相互作用强于bdto，其很好地解释了ttdo光谱红移的原因。
图 3. 光伏性能: (a)pbtt-f: y6电池的j–v曲线；(b)器件稳定性测试
如图3所示，在器件制备方面，课题组选取了与pbtt-f吸收互补能级匹配的受体材料y6共混制备了单节倒置器件，获得了16.1%的光电转化效率。当pbtt-f:y6共混膜厚度增加至190 纳米时，该器件仍能获得14.2%的能量转化效率，这对聚合物太阳能电池的大面积制备具有重要意义。器件同时也呈现出良好的稳定性，以及对不同受体材料和界面都具有较好的普适性。
二维掠入射广角x射线散射（2d-giwaxs）实验表明，pbtt-f:y6混合膜在面外（out-of-plane）方向具有明显的面朝上排列方式，有利于活性层中载流子在电极间的有效垂直传输（图4a-4d）。进一步实验中，课题组通过原子力显微镜（afm）和透射电镜（tem）探究了pbtt-f:y6混合膜的形貌，发现其具有明显的相分离区域，每一个区域之间有二维连续的纤维网络结构相互连接，每一个区域中又有明显的相分离和纳米纤维结构 （图4e-4f）。这有助于激子的分离和载流子的传输，有利于提高电流密度和填充因子，最终提升器件效率。
该工作为聚合物给体的设计提供了新思路，表明pbtt-f是一个非常有潜力的聚合物，为众多的受体材料提供了另外一种新的高效给体材料选择。
图4. 二维掠入射广角x射线散射图：(a)pbtt-f；(b)y6；(c)pbtt-f:y6 混合膜；(d)giwaxs 面外取向的曲线；(e)优化条件下pbtt-f:y6 混合膜的afm 高度图；(f)优化条件下的pbtt-f:y6 混合膜的tem图
南科大-北京大学联合培养博士生晁鹏杰、课题组研究助理教授陈晖为论文的共同第一作者，何凤为论文的唯一通讯作者。
该研究得到了国家自然科学基金、广东省引进创新科研团队、深圳市科创委基础研究等项目以及深圳格拉布斯研究院和南方科技大学分析测试中心的大力支持。
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