薄志山&徐新军&刘亚辉ACS Energy Lett.：利用羧酸酯和氟取代基的协同作用设计高性能宽带隙聚合物给体

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前言回顾

近年来，由于新型低带隙非富勒烯受体（NFAs），特别是稠环电子受体（FREAs）的不断出现，有机太阳能电池（OSCs）领域取得了快速发展。目前，单结OSCs和串联OSCs的功率转换效率（PCE）分别超过19%和20%。与各种FREAs相比，用于与FREAs配对的高性能聚合物给体的种类比较有限。因此，迫切需要开发高性能宽带隙聚合物给体。最先进的宽带隙共轭聚合物应具有低HOMO能级，从而确保OSCs能够获得高开路电压（VOC）和适当的自聚集特性，即所谓的温度依赖性聚集行为，最终优先自组装成纤维状纳米结构。然而，获得具有这些综合特性的高性能宽带隙聚合物仍然是一个巨大的挑战。

利用羧酸酯基取代噻吩作为接受电子（A）单元，与给电子（D）单元匹配，可用于构建D–A交替型宽带隙共轭聚合物给体。此外，羧酸酯基取代噻吩很容易获得，是构建低成本聚合物的潜在优异单元。许多研究表明，羧酸酯基诱导的分子内O–H非共价相互作用有助于获得平面分子骨架和强聚集行为。然而，羧酸酯基与其它官能团（如氯原子、羧酸酯基等）之间的空间位阻效应可能会破坏链平面性并阻碍分子内电荷传输，从而不利于光伏性能。因此，目前只有几种报道的基于羧酸酯基取代噻吩的宽带隙聚合物给体能够实现高于16%的PCE，有必要制定明确的分子设计策略，从而获得羧酸酯基取代噻吩的高性能聚合物给体。

图1.三种不同聚合物给体的合成路线

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文献简介

基于上述考虑因素，近日，北京师范大学薄志山教授、徐新军教授，青岛大学刘亚辉教授团队利用苯并二噻吩和羧酸酯基取代噻吩为D和A单元，设计并合成了三种D–A交替型宽带隙聚合物给体：reg-PThE、reg-PThE-1F和reg-PThE-2F。首先，羧酸酯取代基可以大大降低HOMO能级，从而确保器件能够获得较大的VOC；其次，逐步的氟取代可以进一步调节聚合物给体的能级和温度依赖性聚集行为。

图2.不同器件的光伏性能比较

研究人员选择低带隙非富勒烯受体BTP-eC9-4F与这些聚合物给体匹配，并且制备了相应的OSCs器件。其中，基于reg-PThE-1F:BTP-eC9-4F的共混膜表现出纳米级相分离、超快激子解离和扩散，相应的器件获得了改善的激子解离、电荷收集以及更高和更平衡的电荷传输迁移率。因此，基于reg-PThE-1F:BTP-eC9-4F的器件可以达到16.40%的PCE，远高于基于reg-PThE（12.30%）和reg-PThE-2F（12.16%）的器件，是目前基于羧酸酯基取代噻吩的聚合物给体的器件最高PCE之一。更令人兴奋的是，通过将reg-PThE-1F分别添加到D18:BTP-eC9-4F或D18:L8-BO二元体系中，制备的三元器件PCE进一步提高到17.78%或18.64%。这些研究表明，适当引入氟原子和羧酸酯取代基可以很好地控制聚合物给体的能级和结晶度，并获得高性能OSCs器件。

图3.不同薄膜的瞬态吸收光谱

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文献总结

综上，这项工作表明，在聚合物给体中同时引入羧酸酯基和氟原子可以对器件性能产生协同提高的效应。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《ACS Energy Letters》上，题为“Designing High-Performance Wide Bandgap Polymer Donors by the Synergistic Effect of Introducing Carboxylate and Fluoro Substituents”。论文的第一作者为青岛大学路皓，通讯作者为北京师范大学薄志山教授、徐新军教授，青岛大学刘亚辉教授。

本文关键词：有机太阳能电池，聚合物给体，分子设计，电荷传输。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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