江西师大陈义旺&廖勋凡AM：三元聚合和区域异构策略构建高效三元聚合物给体，实现高性能有机太阳能电池

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前言回顾

有机太阳能电池（OSCs）作为一种新能源技术，因其清洁、轻便、低成本、灵活和大规模印刷等独特优点而备受关注。由于Y系列非富勒烯受体和宽带隙给体聚合物的蓬勃发展，OSCs的功率转换效率（PCE）已经提高到18%以上。目前，最具代表性的宽带隙给体聚合物之一是PM6，它由交替的给电子-受电子（D-A）单元组成，当与Y系列受体匹配时，可以实现非常高的性能。然而，基于PM6的OSCs的光伏参数仍有很大的改进空间，特别是开路电压（VOC）和填充因子（FF），与无机太阳能电池相比仍有一定的差距。一般来说，VOC主要由给体的HOMO能级和受体的LUMO能级决定，而FF与活性层的形貌密切相关。因此，VOC和FF可以通过调节给体和受体之间的分子能级和混溶性来进一步改善。

图1.分子结构与设计策略

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文献简介

在本工作中，江西师范大学陈义旺教授、廖勋凡教授研究团队设计并合成了两种新型给体聚合物结构单元TTO-Br和TTI-Br，从而开发了一系列D-A1-D-A2型三元共聚物（PM6-TTO和PM6-TTI），并详细研究了Cl区域异构化对分子内/分子间相互作用、形貌对光伏性能的影响。“O”和“I”分别指噻吩单元中的Cl原子相对于中心核为“外侧”和“内侧”。两对吸电子基团（酯基和氯原子）的协同作用成功地降低了聚合物的能级，保证了更高的VOC。此外，通过对密度泛函理论（DFT）计算、温度依赖性吸收和活性层形貌的系统研究，研究人员发现不同的Cl取代基位置显著改变了分子平面度和静电势（ESP）。这是由于Cl原子的空间位阻效应，导致给体和受体之间不同的分子聚集行为和混溶性。与3位取代的TTI相比，在噻吩4位具有Cl的TTO单元具有多个S...O非共价相互作用、更多的正ESP和更少的异构体结构。

图2.构建单元与给体聚合物的分子性质

因此，与PM6-TTI-10相比，三元共聚物PM6-TTO-10（具有10%的TTO含量）在共混膜中表现出更好的分子共面性、更强的结晶度、更明显的聚集行为和适当的相分离，有助于更有效的激子解离和电荷转移，以及较弱的双分子复合。因此，基于PM6-TTO-10:BTP-eC9的OSCs器件实现了18.37%的最佳PCE，VOC增加到0.86 V，短路电流密度（JSC）增加到26.80 mA/cm2，FF高达79.7%，这明显优于基于PM6和PM6-TTI-10的器件。值得注意的是，18.37%的PCE和79.7%的FF是迄今为止报道的基于三元共聚物OSCs的最高值。上述结果表明，通过调节Cl取代位置可以明显改变ESP，这会影响分子内/分子间的相互作用，然后改变共混膜的形貌，最终改变器件性能。此外，这项研究还表明，TTO是构建高性能OSCs三元共聚物供体的一种很有前景的构建单元。

图3.不同器件的光伏性能比较

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文献总结

综上，该工作为高性能给体聚合物提供了新的选择，并展示了新的分子设计策略。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Advanced Materials》上，题为“Terpolymerization and Regioisomerization Strategy to Construct Efficient Terpolymer Donors Enabling High-Performance Organic Solar Cells”。

本文关键词：有机太阳能电池，给体聚合物，三元聚合，静电势，混溶性，分子设计。

转自：“有机钙钛矿光电前沿”微信公众号

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