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雙鍵稠合作用：拓寬共軛聚合物吸收光譜簡單有效的方法

來源: X-MOL 2017-07-31 14:48:03

有機太陽能電池由于具有成本低、器件結(jié)構(gòu)簡單、可制備柔性器件等多種突出優(yōu)點成為科研工作者研究的熱點。對于以富勒烯衍生物PCBM為電子受體的有機太陽能電池，提高能量轉(zhuǎn)化效率最簡單有效的方法是通過拓寬給體材料的吸收光譜來提高器件的短路電流。研究最多的窄帶隙聚合物是基于苯并二噻吩（BDT）與噻吩并噻吩衍生物（TT）共聚的PBDTTT系列，比如PTB7-Th，其吸收光譜可延伸至近800 nm的紅外區(qū)。然而，該系列所需的原料TT合成難度大、不易提純，從而限制了其廣泛應(yīng)用。利用價格低、制備簡單的原料來合成窄帶隙的聚合物對于高性能有機光伏器件的實際應(yīng)用至關(guān)重要。

近日，蘇州大學(xué)先進(jìn)光電材料重點實驗室李永舫院士（點擊查看介紹）團(tuán)隊的張茂杰教授（點擊查看介紹）和國霞副教授（點擊查看介紹）通過在茚二噻吩單元上稠合兩個雙鍵，合成了窄帶隙的梯形聚合物PIDTV-ffBT，吸收光譜拓寬到810 nm。基于富勒烯受體體系制備的器件擁有較寬的光譜響應(yīng)、較高的短路電流密度（17.1 mA?cm-2），從而獲得7.3%的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）。

茚二噻吩（IDT）單元由于具有較強的剛性和平面性、獨特的雜環(huán)梯形結(jié)構(gòu)受到廣泛關(guān)注。然而，較窄的吸收光譜（300-700 nm）限制了以IDT單元為基礎(chǔ)的聚合物的光伏性能。為了提高聚合物的光捕獲能力，研究人員做了很多嘗試，比如改變橋連原子、修飾側(cè)鏈以及延長IDT骨架的共軛長度等。然而，這些辦法并沒有有效地拓寬聚合物的吸收光譜，在有機光伏領(lǐng)域的應(yīng)用由此得到限制。

該研究團(tuán)隊合成的1,1'-亞乙烯基稠合的IDT單元（IDTV）很好地解決了聚合物吸收光譜窄的問題。眾所周知，IDT骨架上4,9-位的碳原子是sp3雜化，僅起到稠環(huán)作用，并不增加骨架的π共軛電子數(shù)，因此不能促進(jìn)聚合物分子內(nèi)的推拉電子效應(yīng)。他們通過簡單的格氏試劑加成反應(yīng)，一步合成了擁有22個π共軛電子的五元稠環(huán)——IDTV。相比于IDT單元，IDTV單元在垂直方向擁有延伸的共軛結(jié)構(gòu)和更多π共軛電子，有利于增加聚合物分子內(nèi)的電子推拉效應(yīng)，并使π電子離域到整個分子骨架，最終拓寬聚合物的吸收光譜。相比于其他聚合物，IDTV與氟取代苯并噻二唑（ffBT）共聚合成的聚合物PIDTV-ffBT表現(xiàn)出很大程度拓寬的吸收光譜（300-810 nm，光學(xué)帶隙是1.53 eV）。同時，雙鍵稠合作用也改進(jìn)了聚合物的平面性能并增強了分子間的相互作用，最終提高了其消光系數(shù)（717 nm: 1.34 × 105 cm-1）和空穴遷移率（0.032 cm2/Vs）。以PIDTV-ffBT: PC71BM為活性層的光伏器件的PCE值達(dá)到7.3%、Jsc高達(dá)17.1 mA?cm-2。值得注意的是，這里的PCE和Jsc值都是IDT-alt-BT系列聚合物的最高值；同時，這里的Jsc值是IDT系列聚合物的最高值，并可以媲美聚合物PTB7-Th。該研究工作為拓寬聚合物的吸收光譜，并提高聚合物太陽能電池的光伏性能提供了簡單而有效的新思路。

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