有機聚合物太陽電池具有輕、柔、溶液加工和帶隙可調等優(yōu)點，在柔性光伏、透明發(fā)電玻璃和光伏大棚等領域具有廣闊應用前景。近年來，有機聚合物太陽電池在能量轉換效率和運行壽命方面取得了顯著的進步，材料化學方面持續(xù)關注發(fā)展高性能、低成本的有機光伏半導體，有望推動有機聚合物太陽電池發(fā)展成為實用清潔能源技術。
近年來，浙江大學高分子科學與工程學系有機半導體實驗室提出發(fā)展了全非稠環(huán)電子受體的分子設計策略，利用非共價鍵作用促進共軛骨架中芳環(huán)單元的共平面化，從而避免傳統(tǒng)化學鍵稠合環(huán)的繁瑣合成，降低了分子的合成復雜度的同時還能賦予分子優(yōu)異的抗光氧化性和光電性能。該團隊從基本芳香單元出發(fā)，利用高效C-H 活化C-C鍵偶聯(lián)和Knoevenagel縮合反應，兩步構筑了具有完全非稠環(huán)結構的簡單電子受體分子[1]， [2]，以及通過調控中心核拓展非稠合受體的吸光能級范圍[3]，發(fā)展了系列非稠環(huán)電子受體材料。相比之下，這一類基于單個芳環(huán)構建的全非稠環(huán)電子受體已經具有低合成復雜度，以及優(yōu)異的抗光氧化穩(wěn)定性，如能進一步提升其在太陽電池中的能量轉換效率，這將有助于實現獲得具有效率-成本-穩(wěn)定性的三者優(yōu)化平衡的有機聚合物太陽電池。
浙江大學有機半導體實驗室李昌治課題組在這個方向做了持續(xù)探索，最近從單芳環(huán)原料出發(fā)，發(fā)展了可簡潔合成的全非稠環(huán)電子受體PTB4F和PTB4Cl，通過氧-硫，氧-氫等分子內非共價鍵作用協(xié)同調諧分子平面性（圖1）。工作揭示，這類分子中引入二維側鏈和端基氯取代可調諧其凝聚態(tài)堆積、取向，從而提高了激子壽命和電荷傳輸速率；赑TB4Cl分子和PBDB-TF聚合物的單節(jié)太陽電池器件的能量轉換效率達到12.76%，達成當前基于單芳環(huán)構建的全非稠環(huán)電子受體的效率最高值。工作為發(fā)展具有低合成復雜度、高性能的光伏分子提供一種可行思路。
圖1.（a）非稠環(huán)受體的設計和（b）合成途徑，（c）紫外線吸收光譜，非稠環(huán)受體薄膜（d）光致熒光光譜和（e）循環(huán)伏安圖。
工作中通過與華南理工大學解增旗教授合作單晶X射線衍射分析，揭示了非稠環(huán)電子受體分子的凝聚態(tài)堆積模式。如圖2所示，非稠環(huán)分子在固態(tài)薄膜中同樣表現出剛性平面結構，并且末端氯原子取代的PTB4Cl相比于PTB4F，凝聚態(tài)分子堆積更加緊密、有序，這有利于激子和載流子在有機半導體中的長程傳輸。
圖2.（a）PTB4F和（b）PTB4Cl的分子構象和堆積，以及（c）PTB4F和（d）PTB4Cl在單晶中的層狀堆積圖。
與浙江大學化學系朱海明研究員團隊合作，借助瞬態(tài)吸收光譜等表征手段，發(fā)現非稠環(huán)受體分子在薄膜中表現較長的熒光壽命。同時，基于PTB4Cl分子和PBDB-TF聚合物的混合膜具有快速和均衡的電荷轉移過程，如圖3所示。
圖3.（a）光伏器件結構， J-V特性曲線（b）和EQE光譜（c），以及（d）EQE和EL光譜中的Eg（表示為Egonset，Egpv，Egedge）。不同共混薄膜的電致熒光EQE（e）和空穴轉移過程的TA動力學（f）。
最后，相比于PTB4F，基于PTB4Cl分子的有機光伏器件獲得了更高的電流和填充因子（短路電流：19.01 mA/cm2；填充因子：0.72），從而實現了12.76%能量轉換效率，非輻射能量損失低至0.28eV的單結有機聚合物太陽電池。工作成功發(fā)展了一類低成本、高性能的有機光伏分子，其合成路線簡潔有利于實現規(guī)；苽。工作還得到香港中文大學路新慧教授在薄膜形貌測試方面的支持。該研究在科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金優(yōu)秀青年科學基金項目和面上項目等資助下開展完成，相關論文以“Simple Non-Fused Electron Acceptors Leading to Efficient Organic Photovoltaics”為題發(fā)表于Angewandte Chemie International Edition （Angew. Chem. Int. Ed. 2021, DOI: 10.1002/ange.202101867）。浙江大學高分子科學與工程學系博士生聞天驕，劉志璽，和化學系博士生陳增為論文的共同第一作者，共同作者包括華南理工大學解增旗教授，香港中文大學路新慧教授，浙江大學化學系朱海明研究員和浙江大學有機半導體實驗室的陳紅征教授和李昌治研究員等，其中朱海明研究員和李昌治研究員為共同通訊作者。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202101867
參考文獻
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[3] T. J. Wen, D. Wang, L. Tao, Y. Xiao, Y. D. Tao, Y. Li, X. Lu, Y. Fang*, C. Z. Li*, H. Chen, D. Yang, ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 39515–39523.
李昌治課題組主頁：https://person.zju.edu.cn/czli
