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Angew. Chem. :齐聚物受体——一类兼具小分子和聚合物优势的高稳定性太阳能电池受体材料

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有机太阳能电池由于质轻、柔性、可拉伸、颜色可调节等优点而备受关注。在过去的20年里,随着有机活性材料的不断发展,特别是非富勒烯受体的使用,有机太阳能电池的性能突飞猛进,现今其光电转换效率已突破20%。

然而,目前有机太阳能电池针对受体的研究主要集中在小分子和聚合物受体,有关齐聚物受体的研究相对较少,而A-D-A或A-DA’D-A类型的齐聚物受体尚未有相关报道。齐聚物通常兼具小分子和聚合物的优点,比如确定的分子结构、良好的重现性和良好的稳定性。因而,探索齐聚物受体在有机太阳能电池中的应用具有极为重要的意义。基于此,南方科技大学何凤课题组展开了对齐聚物受体的研究,并合成了三个齐聚物受体:dBTICγ-EH、dBTICγ-BO和tBTICγ-BO。为了进行对比,作者还合成了小分子受体BTIC-EH和聚合物受体pBTICγ-OD。研究表明,该类齐聚物受体具有更低分子的能级,其光伏性能和器件稳定性均优于相应的小分子和聚合物。具体的合成方法和研究结果如下:

作者利用Knoevenagel反应先后制备了小分子化合物BTIC-EH和单溴代、双溴代前体化合物,再在分子间Stille-Kelly反应的条件下,实现了三种齐聚物dBTICγ-EH、dBTICγ-BO、tBTICγ-BO和聚合物pBTICγ-OD的合成。研究表明,这一系列的受体具有相似的薄膜吸收光谱,但是齐聚物与聚合物的HOMO和LUMO能级均较小分子低,这为给体的选择提供了更多的可能性。当与PM6共混制备成器件后,三个齐聚物的电子和空穴迁移率均有大幅提升,其中dBTICγ-EH比BTIC-EH的迁移率提高了5倍有余,其光伏性能也远优于小分子和聚合物,光电转换效率高达14.48%。稳定性测试表明,基于齐聚物受体的器件也表现出最高的稳定性。在100 mW cm-2光照条件下,dBTICγ-EH的T80(光电转换效率衰减至80%所需时间)高达1000小时,远高于BTIC-EH的T80(260小时)和pBTICγ-OD的T80(640小时)。此外,该类齐聚物受体还可以用于双层准平面异质结器件的制备。当选用PBQx-H-TF为给体时,dBTICγ-EH的准平面异质结器件表现出16.06%的光电转换效率,这也是目前基于齐聚物受体太阳能电池的最高值。


该工作表明小分子齐聚化为有机受体材料的发展提供了一个新的方向,为高效率高稳定性的有机太阳能电池的制备提供了一种切实有效的方法。

文信息

Oligomeric Acceptor: A “Two-in-One” Strategy to Bridge Small Molecules and Polymers for Stable Solar Devices

Dr. Hengtao Wang, Dr. Congcong Cao, Dr. Hui Chen, Hanjian Lai, Chunxian Ke, Yulin Zhu, Heng Li, Prof. Feng He

文章的第一作者是南方科技大学的博士后王恒涛、曹聪聪和研究助理教授陈晖。


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202201844


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