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  近幾年，有機太陽能電池（OSC）由于其低成本、重量輕、可柔性制備等優(yōu)點而受到廣泛關注。隨著材料的不斷開發(fā)，單結有機太陽能電池的能量轉化效率（PCE）已超過18%。其中，p型半導體材料的革新起到了至關重要的作用。近幾年，大多數優(yōu)秀的聚合物給體材料主要是以苯并二噻吩（BDT）為供電子單元構造的，而呋喃類供電子單元關注較少，其構成的材料效率仍滯后于噻吩類材料。然而，呋喃本身擁有一些獨有的特性，呋喃的氧原子半徑要小于噻吩的硫原子半徑，因此呋喃類材料具有比噻吩材料有更小的空間位阻，更易形成緊密的分子堆積，從而提高材料的電荷遷移率。因此，呋喃類給體材料是應用在有機光伏領域是十分有前景的。

  近期，北京航空航天大學霍利軍課題組在呋喃類聚合物給體材料的研究中取得重要進展。2015年他們發(fā)現苯并二呋喃類的材料有很好的平面性，從而構成有序的分子堆積，相關的器件也達到不錯的效率（Adv. Mater., 2015, 27, 6969）。最近，他們考慮到萘并二呋喃（NDF）相比BDF單元有更長的共軛結構，能顯著提高分子的離域能力，促進電荷傳輸，合成了以萘并二呋喃為給體單元，功能化三噻吩為受體單元的寬帶隙聚合物給體PNDF-3T。同時，他們也合成了萘并噻吩類聚合物PNDT-3T來作為對比材料。通過對比兩個分子的吸收光譜，PNDF-3T顯示了一個相對PNDT-3T紅移的吸收和明顯的肩峰，這表明PNDF-3T有一個優(yōu)秀的堆積性能。從電化學測試結果來看，PNDF-3T相比PNDT-3T有更深的HOMO能級，這是因為氧原子的電負性大于硫原子，這也為器件的開路電壓（V_oc）提供了基礎。之后，他們利用理論計算分析兩個分子的結構，發(fā)現PNDF-3T相比PNDT-3T有更為平直的分子結構，有利于形成更有效的π-π堆積

圖一 （a）PNDF-3T和PNDT-3T的分子結構；（b）PNDF-3T和PNDT-3T在薄膜狀態(tài)下的紫外吸收光譜；（c）PNDF-3T和PNDT-3T器件結構的能級示意圖；（d）PNDF-3T和PNDT-3T結構的理論計算排列

  隨后，他們分別使用PNDF-3T和PNDT-3T作為給體、ITIC-4Cl作為受體，構建了兩個反式結構的OSCs來測試兩個材料的光伏性能。結果顯示，PNDF-3T的器件PCE達到了14.21%，對應的V_oc為0.91 V，短路電流（J_sc）為20.80 mA/cm²，填充因子（FF）為 of 75.1%；而PNDT-3T只達到10.86%的PCE，對應的V_oc為0.90 V， J_sc為16.19 mA/cm²，FF為 of 74.5%。其中，14.21%的PCE是現在呋喃類聚合物給體材料的最高效率。通過對兩個材料的器件進行分析，發(fā)現PNDF-3T相比PNDT-3T具有更大范圍的IPCE光譜，更弱的激子復合，以及更高的激子解離和收集效率，因此，PNDF-3T器件的短路電流和填充因子遠高于PNDT-3T。利用掠入射廣角X射線散射測試來研究兩個分子混合膜的微觀形貌，發(fā)現兩種分子都顯示明顯的“face-on”朝向，但PNDF-3T相比PNDT-3T有更為緊密的堆積，從而實現了更有效的電荷傳輸。該研究表明，呋喃類材料相對噻吩類材料有獨特的優(yōu)勢，有成為高性能光伏材料的潛力。

圖二 （a）PNDF-3T和PNDT-3T器件的J-V曲線；（b）PNDF-3T和PNDT-3T的IPQE曲線；（c）基于NDT-3T：ITIC-4Cl和NDF-3T：ITIC-4Cl的PSC的光電流密度（Jph）與光強度特性；（d）基于NDT-3T：ITIC-4Cl和NDF-3T：ITIC-4Cl的PSC的光電流密度（Jph）與有效電壓（Ve ?）特性的關系；（e）2012-2020年間報告的含NDF單元聚合物電池的PCE值；（f）基于NDT-3T：ITIC-4Cl和NDF-3T：ITIC-4Cl共混膜的GIWAX圖像和相應的IP和OOP方向曲線

  以上相關成果近日在Advanced Energy Materials上發(fā)表。論文第一作者為北京航空航天大學博士生鄭冰，通訊作者為北京航空航天大學霍利軍教授、上海交通大學劉峰教授。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202003954

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