Changduk Yang团队AFM:新型聚合物给体助力有机太阳能电池效率超过17%

发表时间：2021-06-23 17:38作者：知研光电材料

导语：采取硅烷基侧链取代和三异丙基硅（TIPS）取代的策略，设计并合成了新型具有不同主链的基于iBDD-Si的聚合物给体：PM6-5Si、PM6-10Si和PM6-15Si。基于PM6-5Si:N3器件的光电转换效率（PCE）高达17.01%。

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1.前言

有机太阳能电池（OSCs）活性层材料的分子设计主要利用电子推拉效应，包括交替的给电子单元（D）和受电子单元（A），因此可以通过改变D与A之间组合来轻松有效调节分子的吸收范围、带隙和能级。这些变化的参数不仅可以提供最大化光子捕获的协同效应，以促进激子的形成，而且可以提供足够的驱动力，使激子在本体异质结（BHJ）界面上以最小的能量损失解离。然而，对于开发新型A单元，一直是OSCs领域的一项艰巨的挑战。

苯并[1,2-c:4,5-c']二噻吩-4,8-二酮（BDD）单元由于其平面对称的稠环结构和自组装特性，是高性能聚合物给体中最受欢迎的A单元之一。因此，基于BDD的聚合物（如PBDB-T、PM6、PM7等）取得了迅速进展，这些给体对BHJ-OSCs的光电转换效率（PCE）有显著改善作用。最近，新开发的苯并[1,2-b:4,5-c’]二噻吩-4,8-二酮（iBDD）作为BDD的异构体比BDD表现出更强的分子间相互作用、更高的吸收系数、更大的偶极矩和更强的电子接受特性。虽然目前已经有一些基于iBDD共聚物的报道，但相关器件性能仍远低于基于BDD共聚物，因此还需要对iBDD型分子进行进一步的探索。

2.简介

鉴于以上的考虑，近日，韩国蔚山国立科学技术研究所Changduk Yang教授研究团队采取硅烷基侧链取代和三异丙基硅（TIPS）取代的策略，设计并合成了三种新型具有不同主链的基于iBDD-Si的聚合物给体：PM6-5Si、PM6-10Si和PM6-15Si。结果显示，在聚合物主链中引入不同数量的iBDD-Si单元，可以微调光学性质（特别是吸收系数）、能级和分子堆积，从而改善OSCs性能。

进一步地，当以N3为受体时，基于PM6-5Si:N3的器件PCE最高，达到17.01%，远高于基于PM6:N3的优化器件（15.15%）。其中，开路电压（VOC）为0.852 V，短路电流密度（JSC）为26.32 mA cm-2，填充因子（FF）值为75.81%。通过对该器件的结构和形貌进行综合表征，研究人员认为，所获得的优异性能归因于平衡的电荷传输、增强的电荷产生/解离动力学以及降低的能量和复合损耗。因此，这项研究结果表明，iBDD-Si可以作为一种有前景的高性能OSCs共轭单元。

3.总结

综上，该工作不仅提供了基于iBDD-Si聚合物的结构-性能相关性洞察，也为高性能BDD衍生物的改性提出更好的设计思路。相关研究成果现已发表在国际材料与器件领域著名学术期刊《Advanced Functional Materials》上，题为“Triisopropylsilyl-Substituted Benzo[1,2-b:4,5-c’]dithiophene-4,8-dione-Containing Copolymers with More Than 17% Efficiency in Organic Solar Cells”。

本文关键词：有机太阳能电池，结构改性，PM6，PM6-5Si、PM6-10Si、PM6-15Si。

4.文中所涉及相关材料