汕头大学武庆贺教授等人Angew：多氟化策略用于开发高性能有机太阳能电池聚合物给体

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前言回顾

目前，有机太阳能电池（OSCs）中主要的非富勒烯受体（NFAs）是Y6及其衍生物，该类分子通常具有600-900 nm的光吸收范围、中等的HOMO能级和高结晶度。这些新特性要求相应聚合物给体具有匹配的物理性质，例如互补光吸收、合适的HOMO能级和优异的形貌相容性。然而，目前只有少数聚合物能够完全满足这些要求，如何设计具有所需性能的新型聚合物给体仍然具有挑战性。在D-A共聚物中，缺电子单元显著影响聚合物的光物理和成膜性能，其在高性能聚合物的发展中起着至关重要的作用。因此，开发用于非富勒烯OSCs的高性能聚合物给体需要开发新型缺电子单元。

由于其原子半径小和电负性强，氟原子对调节聚合物的能级、结晶性和电荷载流子迁移率非常有效。研究人员也已经开发了各种氟原子取代的有机半导体材料，其中多氟取代的聚合物给体具有更多的优势如低HOMO能级和高空穴迁移率，不仅能与近红外NFAs匹配良好，而且能够获得有利的共混膜形貌，增加最终器件的开路电压（VOC）和填充因子（FF）值。因此，多氟取代应该是创建理想的缺电子单体的有效方法。然而，目前还没有开发出单一多氟化单元用于构建高性能聚合物给体能够与Y6及其衍生物匹配。

图1.多氟缺电子单元的合成路线、分子堆积与相互作用

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文献简介

基于上述考虑，近日，汕头大学武庆贺教授等人在最新发表的工作中，首次报道了所开发的一种多氟单元：FNT，并基于此结果合成了两种新型聚合物给体：PFNT-F和PFNT-Cl。由于FNT分子中3.38Å的短π-π堆叠距离和丰富的F...H、F...F相互作用，能够促进空穴传输。因此，这两种聚合物都表现出低HOMO能级（约-5.5 eV）和宽带隙（约2.0 eV），这与Visible-NIR NFAs的光物理性质完全匹配。此外，PFNT-F/Cl和N3之间优异的形貌相容性使得共混膜中两种聚合物的纳米纤维结构和face-on取向更加明确，而在纯膜中主要是edge-on取向。

图2.两种新型聚合物合成路线

研究结果显示，基于PFNT-F/Cl:N3的OSCs表现出令人印象深刻高达0.80的FF值，以及17.53%和18.10%的优异PCE，这使得PFNT-F/Cl在非富勒烯OSCs体系中可以作为最佳聚合物给体之一。此外，PFNT-Cl的PCE略高，可能是由于其辐射和非辐射复合能量损失较小。另一方面，基于PFNT-F的器件在60℃连续热退火128小时后效率仍保持初始值的92.1%，而基于PFNT-Cl的器件保持在初始效率的90.4%。PFNT-F优异的热稳定性应归因于其更短的π-π堆叠距离和更高的结晶度，这表明增强聚合物的分子间相互作用是提高OSCs热稳定性的重要途径。

图3.相关器件光伏性能比较

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文献总结

综上，这项研究不仅开发了一种很有前景的缺电子单元FNT，而且还提供了一种有效的多氟化策略，从而合理设计用于OSCs的高性能聚合物给体。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》上，题为“A Multifluorination Strategy Toward Wide Bandgap Polymers for Highly Efficient Organic Solar Cells”。

本文关键词：有机太阳能电池，多氟单元，聚合物给体，混溶性。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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