四川大學(xué)彭強(qiáng)教授課題組 Angew：非常規(guī)氨基甲酸酯側(cè)鏈用于聚合物太陽(yáng)能電池給體材料
2022-10-23 來(lái)源：高分子科技
在綠色能源領(lǐng)域，聚合物太陽(yáng)能電池有著巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＦ涓泄饣钚詫硬牧系陌l(fā)展對(duì)于進(jìn)一步提升聚合物太陽(yáng)能電池的器件性能具有重要意義。側(cè)鏈工程是聚合物給體材料重要的設(shè)計(jì)策略之一。一方面，側(cè)鏈可以改善材料的溶解性；另一方面，側(cè)鏈上引入雜原子可以調(diào)節(jié)材料的分子軌道能級(jí)，并通過(guò)非共價(jià)鍵作用構(gòu)建分子內(nèi)構(gòu)象鎖，增強(qiáng)分子間相互作用，進(jìn)一步提高器件性能。近日，四川大學(xué)彭強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)非常規(guī)側(cè)鏈工程實(shí)現(xiàn)了高達(dá)18.76%的聚合物太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)換效率，該工作以“Wide Bandgap Polymer Donors Functionalized with Unconventional Carbamate Side Chains for Polymer Solar Cells”為題發(fā)表在《Angew. Chem. Int. Ed.》上（DOI：10.1002/anie.202213252）。文章第一作者為四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院碩士研究生唐潔，通訊作者為四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院于立揚(yáng)副研究員和彭強(qiáng)教授。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。
他們將氨基甲酸酯側(cè)鏈引入基于苯并二噻吩（BDT）的聚合物給體材料中，構(gòu)建了新型聚合物給體PTzTz-N，其分子設(shè)計(jì)如上圖所示。通過(guò)在噻吩π橋上引入氨基甲酸酯側(cè)鏈，利用氨基甲酸酯側(cè)鏈中的等性sp2雜化N原子上的H原子和并噻唑中不等性sp2雜化N原子之間的N···H次級(jí)鍵作用在噻吩π橋與并噻唑（TzTz）受體基團(tuán)之間形成一個(gè)六元環(huán)平面，增強(qiáng)了聚合物骨架的平面性，增大了聚合物受體的共軛面積，在與BTP-eC9匹配構(gòu)件的聚合物太陽(yáng)能電池中，器件展現(xiàn)出較高的短路電流和填充因子，實(shí)現(xiàn)了15.24%的能量轉(zhuǎn)換效率。
在后續(xù)研究中，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將PTzTz-N引入高性能D18:CTP-eC9混合物，構(gòu)建了三混器件。與D18:BTP-eC9兩混器件相比，三混器件具有更高效的激子解離效率、更平衡的電荷傳輸能力、更低的電荷復(fù)合概率和更高的填充因子。因此，能量轉(zhuǎn)換效率從D18:BTP-eC9兩混器件的17.94%顯著提升至D18:PTzTz-N:CTP-eC9三混器件的18.76%。
器件效率的提升主要得益于帶有非常規(guī)氨基甲酸酯側(cè)鏈聚合物PTzTz-N的引入對(duì)薄膜的納米結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的微調(diào)。PTzTz-N與D18表面能相近，可以實(shí)現(xiàn)較好的混合，給體混合物中的混合熵可以抑制薄膜內(nèi)各種材料的結(jié)晶過(guò)程。相比于D18:BTP-eC9，PTzTz-N的加入抑制了在三混薄膜中D18纖維的過(guò)度生長(zhǎng)和BTP-eC9大尺度晶體的形成，從而獲得了更優(yōu)異的納米相分離尺度，提高了器件光電流生成能力。
這一工作展現(xiàn)了通過(guò)非常規(guī)側(cè)鏈引入分子構(gòu)象鎖從而構(gòu)建高效給體聚合物材料的有效途徑。同時(shí)也展示了給體聚合物合金在提高聚合物太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)換效率上的巨大潛力。
他們將氨基甲酸酯側(cè)鏈引入基于苯并二噻吩（BDT）的聚合物給體材料中，構(gòu)建了新型聚合物給體PTzTz-N，其分子設(shè)計(jì)如上圖所示。通過(guò)在噻吩π橋上引入氨基甲酸酯側(cè)鏈，利用氨基甲酸酯側(cè)鏈中的等性sp2雜化N原子上的H原子和并噻唑中不等性sp2雜化N原子之間的N···H次級(jí)鍵作用在噻吩π橋與并噻唑（TzTz）受體基團(tuán)之間形成一個(gè)六元環(huán)平面，增強(qiáng)了聚合物骨架的平面性，增大了聚合物受體的共軛面積，在與BTP-eC9匹配構(gòu)件的聚合物太陽(yáng)能電池中，器件展現(xiàn)出較高的短路電流和填充因子，實(shí)現(xiàn)了15.24%的能量轉(zhuǎn)換效率。
在后續(xù)研究中，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將PTzTz-N引入高性能D18:CTP-eC9混合物，構(gòu)建了三混器件。與D18:BTP-eC9兩混器件相比，三混器件具有更高效的激子解離效率、更平衡的電荷傳輸能力、更低的電荷復(fù)合概率和更高的填充因子。因此，能量轉(zhuǎn)換效率從D18:BTP-eC9兩混器件的17.94%顯著提升至D18:PTzTz-N:CTP-eC9三混器件的18.76%。
器件效率的提升主要得益于帶有非常規(guī)氨基甲酸酯側(cè)鏈聚合物PTzTz-N的引入對(duì)薄膜的納米結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的微調(diào)。PTzTz-N與D18表面能相近，可以實(shí)現(xiàn)較好的混合，給體混合物中的混合熵可以抑制薄膜內(nèi)各種材料的結(jié)晶過(guò)程。相比于D18:BTP-eC9，PTzTz-N的加入抑制了在三混薄膜中D18纖維的過(guò)度生長(zhǎng)和BTP-eC9大尺度晶體的形成，從而獲得了更優(yōu)異的納米相分離尺度，提高了器件光電流生成能力。
這一工作展現(xiàn)了通過(guò)非常規(guī)側(cè)鏈引入分子構(gòu)象鎖從而構(gòu)建高效給體聚合物材料的有效途徑。同時(shí)也展示了給體聚合物合金在提高聚合物太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)換效率上的巨大潛力。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202213252
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