給體材料的吸收光譜、HOMO能級以及與受體材料共混之后的形貌是決定聚合物太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素。給電子側(cè)鏈烷硫鏈因硫原子具有空的d軌道而具有π吸電子性質(zhì)，蘇州大學(xué)李永舫院士團隊的崔超華副教授等將烷硫鏈引入BDT單元，利用烷硫鏈這一獨特的特性有效降低給體材料的HOMO能級、提高器件開路電壓，從而提高能量轉(zhuǎn)換效率（Energy Environ. Sci., 2014, 7, 2276–2284;Adv. Mater., 2015, 27, 7469–7475; Energy Environ. Sci., 2016, 9, 885–891）；另外，他們在2011年首次報道了基于吸電子單元naphtho[2,3-c]thiophene-4,9-dione (NTDO)的聚合物給體材料，取得了5.21%的器件能量轉(zhuǎn)換效率（PCE），體現(xiàn)了NTDO單元在高效給體光伏材料設(shè)計上的潛力（Chem. Commun., 2011, 47, 11345–11347）。
在前期的系列工作基礎(chǔ)上，最近，他們將烷硫鏈引入NTDO單元，設(shè)計合成了一種雙烷硫鏈取代的共軛聚合物PBN-S（Fig. 1）作為給體材料用于聚合物太陽能電池，取得了優(yōu)異的光伏性能。PBN-S具有與非富勒烯受體IT-4F互補的吸收光譜及較低HOMO能級（Fig. 1）。以PBN-S為給體、IT-4F為受體制備聚合物太陽能電池器件，PCE達到了13.10%。同時，基于PBN-S:IT-4F的半透明器件PCE也達到9.83%，可見光區(qū)（370-740 nm）平均透過率高達32%。不僅如此，PBN-S在大面積器件上也取得了突出的光伏性能：使用旋涂的方法制備的100 mm2器件，PCE為10.21%；使用刮涂的方法制備的100 mm2器件，PCE高達10.69%。不僅如此，基于PBN-S:IT-4F的器件具有良好的穩(wěn)定性，器件在手套箱或者空氣中放置（無需避光）100天，效率都能維持原始效率的80%以上（Fig. 2）。
Fig. 1 (a) Chemical structure of PBN-S. (b) Normalized UV-vis absorption spectra of PBN-S and IT-4F. (c) Energy level diagrams of PBN-S and IT-4F.
Fig. 2 Normalized photovoltaic parameters of (a) unencapsulated devices with conventional architecture of glass/ITO/PDEOT:PSS/PBN-S:IT-4F/ZnO/Al stored in a nitrogen-filled glove-box and (b) unencapsulated devices with inverted architecture of glass/ITO/ZnO/PBN-S:IT-4F/MoO3/Al stored in air.
結(jié)果表明，基于雙烷硫鏈取代NTDO的聚合物給體材料PBN-S在未來高效聚合物太陽能電池的實際應(yīng)用上具有巨大的潛力。
相關(guān)研究成果近期發(fā)表在Energy & Environmental Science，第一作者為博士研究生吳月，通訊作者為崔超華副教授。
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