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  近日，南方科技大學何鳳副教授團隊在《ACS Applied Energy Materials》發表了題為“Chlorination of Side Chains: A Strategy for Achieving a High Open Circuit Voltage Over 1.0 V in Benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene-Based Non-Fullerene Solar Cells”的文章(DOI: 10.1021/acsaem.8b00506)。

  在該工作中，作者基于之前在氯取代聚合物給體方面的工作基礎（Macromolecules, 2017, 50, 9617?9625, ACS Energy Lett., 2017, 2, 1971–1977，J. Mater. Chem. A, 2018, 6 , 2942–2951），不同于氟取代聚合物復雜的合成過程，氯原子可以通過更加簡化的合成步驟引入到聚合物給體材料中，同時實驗結果發現將多個氯原子直接引入到聚合物的骨架中時，雖然由于氯原子的吸電子作用以及其空的3d軌道可以容納共軛單元的π電子，導致聚合物的最高占據軌道（HOMO）的能級降低，從而在器件上可以獲得較高的開路電壓（Voc），但同時由于多個氯原子大的空間位阻效應，會在很大程度上會破壞聚合物骨架的平面性，因此影響分子間的相互作用，同時也削弱了分子間的電荷傳輸能力，影響器件效率，因此如何平衡開路電壓與短路電流之間的關系極具挑戰。

圖1. （a）側鏈懸掛的多氯取代聚合物PBClT的結構設計和（b）單體BDT-2Cl以及聚合物PBClT的合成路線

圖2.（a）聚合物以及受體材料ITIC的能級（b）聚合物PBClT分別于受體材料ITIC、PC61BM和PC71BM組成的器件的J-V曲線

  南方科技大學何鳳副教授研究團隊基于之前的研究結果，通過合理的結構設計，如圖1所示，合成出了共軛側鏈懸掛的多氯取代聚合物PBClT，并進行了深入細致的研究。研究表明，聚合物PBClT相對于PTB7-Th，薄膜吸收僅僅發生了6 nm的藍移，光學帶隙也僅僅發生了微小的改變。這是因為氯原子是被引入到了聚合物PBClT的共軛側鏈的兩端，幾乎沒有產生空間扭曲，所以氯原子對聚合物骨架的構型沒有產生影響，也不會明顯改變分子間的相互作用。多個氯原子的側鏈懸掛方式的引入，不但沒有改變聚合物的構型，而且由于氯原子與π電子間的共振作用，使聚合物的HOMO能級下降。相對于PTB7-Th，PBClT的HOMO能級為5.47 eV，降低了0.2 eV，有助于Voc的提高。在沒有任何溶劑添加劑處理的情況下，基于PBClT:ITIC體系的有機太陽能電池獲得了1.01 V的開路電壓Voc、8.46%的光電轉化效率以及13.95 mA cm-2的短路電流。從器件性能可以看出，首先相對于PTB7-Th的太陽器件，光電轉化效率有近22%的提高，同時在獲得高開路電壓Voc的情況下，短路電流Jsc沒有發生明顯的降低，因此該項研究巧妙地解決了平衡開路電壓Voc與短路電流Jsc之間關系的難題，對未來聚合物給體分子的功能設計以及如何提高有機太陽能電池的器件性能提供了新的思路和方法。

  該工作的第一作者為南方科技大學-北京大學聯合培養博士生晁鵬杰，通訊作者為南方科技大學化學系何鳳副教授，共同通訊作者為美國阿貢國家實驗室陳偉教授。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaem.8b00506