中科院化學所提出高性能光伏材料——兩維共軛結構的苯并二噻吩類聚合物

具有兩維共軛結構的苯并二噻吩類聚合物是由中國科學院化學研究所研究人員發展起來的一類高性能的聚合物光伏材料,這類材料具有寬吸收、高遷移率等突出優點,成為聚合物太陽能電池領域的研究熱點。

近三年來,化學所高分子物理與化學重點實驗室的研究人員在兩維共軛聚合物光伏材料及其在聚合物太陽能電池方面的應用進行了系統研究。前期研究中,他們發現將苯并二噻吩類聚合物側鏈上的烷氧基換為共軛的噻吩烷基, 能量轉換效率都得到了有效的提升 (Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 9697-9702; Macromolecules 2012, 45, 3032-3038; Macromolecules 2012, 45, 9611-9617)。在此基礎上,他們對其分子結構、聚集態結構和光伏特性進行了深入研究,發現擴大共軛(Adv. Mater. 2012, 24, 3383-3389; Adv. Mater. 2013, 25, 3449-3455; J. Phys. Chem. C 2013, 117, 9550-9557)可以有效調節聚集態結構,引入吸電子基團(2014, 26, 1118-1123; Adv. Mater. 2014, 26, 2089-2095)可以有效調節分子能級。

最近,在中國科學院、國家自然科學基金委、北京市科委和化學所的大力支持下,該課題組的研究人員又在上述工作基礎上將線性烷硫基取代的噻吩作為官能團引入到苯并二噻吩類聚合物中,設計和合成了新型兩維共軛聚合物PBDT-TS1(見圖1a)。在最優條件下,基于PBDT-TS1:PC71BM的正向結構聚合物太陽能電池能量轉化效率高達9.48%,為目前具有同類結構的聚合物光伏器件的文獻報道最高值。原子力顯微鏡、透射電鏡以及X射線衍射等測試表明PBDT-TS1能形成了具有10-20 nm尺度的互穿網絡和良好的pi-pi堆積,因而獲得了較高的能量轉換效率。研究結果發表在美國化學會《化學材料》期刊上(Chem. Mater. 2014, 26, 3603-3605),引起同行的廣泛興趣,并成為發表當月該期刊下載量前十。此外,他們將硒吩烷基作為共軛側鏈引入到苯并二噻吩類聚合物,設計和合成的兩維共軛聚合物PBDTTT-EFS(見圖1b)也能獲得高達8.78%的能量轉換效率(Macromolecules, 2014, 47, 4653-4659)。

基于高效兩維共軛聚合物光伏材料的系列研究成果,他們應邀在美國化學會《化學研究述評》期刊發表了綜述論文(Acc. Chem. Res., 2014, 47, 1595-1603),總結了兩維共軛聚合物光伏材料的分子設計策略(圖2)。

圖1 新型兩維共軛聚合物PBDT-TS1的分子結構及其器件性能

圖1 新型兩維共軛聚合物PBDT-TS1的分子結構及其器件性能

圖2 兩維共軛聚合物的分子設計

圖2 兩維共軛聚合物的分子設計

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