李永舫课题组在低成本高效有机光伏材料的研究中取得新进展

       有机太阳能电池具有轻、薄、柔和可溶液加工等突出优点，是当前太阳能电池研究的热点。随着新型非富勒烯受体材料的快速发展，有机太阳能电池的能量转换效率逐步提升，最近已达到16~17%的水平，达到了可以向实际应用发展的阶段。但是，实现有机太阳能电池的商业化应用，目前还面临着光伏材料成本和器件稳定性的挑战。大多数高效光伏材料存在着结构复杂、合成步骤多、产率低等问题，导致材料成本较高，难以满足商业应用的需求。因此开发低成本高效有机光伏材料是聚合物太阳能电池走向应用研究上的关键课题。  

　　在国家自然科学基金委和中科院先导项目等的支持下，中科院化学所有机固体院重点实验室李永舫课题组2018年设计和合成了一种以噻吩为给体（D）单元、氟取代喹喔啉为受体(A)单元的D-A共聚物PTQ10，该聚合物只需两步合成，产率达到87.4%，表现出突出的低成本优势。以PTQ10为给体、窄带隙n-型有机半导体(n-OS)IDIC为受体的有机太阳能电池（OSC）的能量转换效率（PCE）达到了12.7% ( Nature Commun., 2018. 9, 743.第一作者是博士生孙晨凯)，为当时的OSC最高效率之一。进而，他们开发了一种IDIC受体中心稠环简化的合成方法，同时通过引入烷氧取代基提高了中心稠环的产率，合成了新的低成本n-OS受体分子MO-IDIC-2F。以PTQ10为给体、MO-IDIC-2F为受体的OSC的效率进一步提升到了13.46%。（Nat. Commun. 2019,10,519，第一作者是博士生李骁骏）。 

　　接着，他们对基于噻吩和喹喔啉的低成本D-A共聚物又进行了深入的研究。他们研究了氟取代的位置和数量对这类共聚物电子能级的影响以及使用Y6为受体的光伏性能的影响，发现噻吩单元上双氟取代导致聚合物HOMO能级过低，与受体Y6的HOMO能级不匹配，虽然开路电压有所提高，但是短路电流很低，整体光伏性能很差。喹喔啉单元上双氟取代的PTQ10表现出最优的光伏性能，效率达到了16.21%. ( Adv. Mater., 2019, 31, 1905480，第一作者是博士生孙晨凯)。最近他们又通过在PTQ10的喹喔啉单元上引入甲基侧链合成了一个新的低成本D-A共聚物PTQ11，同时通过将Y6末端的双氟取代换成单溴取代合成了一个新的窄带隙受体分子TPT10（PTQ11和TPT10的分子结构见图1), 受体TPT10的LUMO和HOMO能级较Y6有所上移，受体LUMO能级上移有利于OSC开路电压的提高，但是HOMO能级上移导致与给体PTQ10的HOMO能级不匹配。而PTQ11的HOMO能级因甲基的引入较PTQ10有所上移，使其HOMO能级与受体TPT10的HOMO能级持平（见图1左下图）。他们发现，虽然给体和受体的HOMO能级差为零，基于PTQ11:TPT10 的OSC仍获得了16.32%的高效率（开路电压V_oc= 0.88 V, 短路电流J_sc = 24.79 mA cm^-2，填充因子FF = 74.8 %）（图1右下图）。这一成果对于深入了解有机太阳能电池的激子电荷分离和传输机理、以及高效给体和受体光伏材料的分子设计具有重要意义。该成果发表在J. Am. Chem. Soc., 2020,142(3),1465-1474.上（第一作者是博士生孙晨凯，通讯作者是李永舫研究员，南京大学张春峰教授等合作测量了暂态吸收光谱，韩国Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST)的 Changduk Yang课题组合作进行了GIWAXS形貌测量。）