近年來(lái)，由于寬帶隙給體聚合物和非富勒烯受體的迅猛發(fā)展，光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)接近15%。然而，激子往往需要必要的驅(qū)動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)電荷的有效分離（ΔEHOMO或者 ΔELUMO>0.3eV），導(dǎo)致光子能量損失(Eloss)較大，器件的開路電壓（VOC）和短路電流(JSC)不能夠同時(shí)得到提高，從而限制了聚合物太陽(yáng)能電池的進(jìn)一步發(fā)展。
最近研究人員相繼報(bào)道了一些低驅(qū)動(dòng)力(ΔEHOMO 或者 ΔELUMO<0.3eV)下實(shí)現(xiàn)電荷高效分離的聚合物活性層材料，并實(shí)現(xiàn)了器件性能的進(jìn)一步優(yōu)化，然而分子結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)力之間的關(guān)系并沒有得到詳細(xì)闡明。
近日，南昌大學(xué)化學(xué)學(xué)院陳義旺教授和諶烈教授課題組通過設(shè)計(jì)合成了寬帶隙含有硅烷基側(cè)鏈聚合物給體材料PBDS-T。相比于未引入硅烷基的聚合物PBDB-T，由于PBDS-T單體中σ*(Si)–π*(C)的相互作用，使PBDS-T結(jié)晶度更高、光吸收更強(qiáng)、擁有與非富勒烯受體ITIC更加匹配的能級(jí)。與ITIC共混后，制備器件在不退火的條件下獲得了11.12%的效率。通過瞬態(tài)熒光以及對(duì)比本體異質(zhì)結(jié)和雙層異質(zhì)結(jié)的穩(wěn)態(tài)熒光研究發(fā)現(xiàn)，在ΔEHOMO 為 0.15 eV 和 ΔELUMO 為 0.22 eV的情況下，激子仍然能夠高效分離。研究還發(fā)現(xiàn)，低驅(qū)動(dòng)力下實(shí)現(xiàn)激子的有效分離和PBDS-T的結(jié)晶度相關(guān)。因此，PBDB-T:ITIC體系，PBDS-T:ITIC體系制備的器件同時(shí)實(shí)現(xiàn)了VOC和JSC明顯提高。
圖 1. (a) 器件結(jié)構(gòu)圖。 (b) 活性層。 (c) 不同條件下的J?V 曲線。 (d) 不同條件下的IPCE圖以及電流的積分曲線。
圖 2. AFM 高度圖 (a) PBDB-T:ITIC混合膜 160 °C 退火 10 minute; (b) PBDS-T:ITIC混合膜 160°C 退火 10 minute and (c) PBDS-T:ITIC 不退火。 TEM 圖(d) PBDB-T:ITIC 混合膜 160°C 退火 10 minute; (e) PBDS-T:ITIC 混合膜160°C 退火 10 minute and (f) PBDS-T:ITIC 不退火。
圖 3. XRD圖 (a) PBDS-T和PBDB-T, (b) PBDS-T:ITIC和PBDB-T:ITIC。
本文報(bào)道了通過在聚合物給體的BDT單元中引入硅烷基側(cè)鏈，設(shè)計(jì)合成了結(jié)晶度高、吸收系數(shù)大、擁有與非富勒烯受體ITIC更加匹配的能級(jí)聚合物給體PBDS-T，在不退火的條件下實(shí)現(xiàn)了高效的器件性能。研究成果為今后有機(jī)太陽(yáng)能電池在材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類型上同時(shí)提高VOC和JSC的研究進(jìn)一步發(fā)展提供指導(dǎo)意義。相關(guān)工作由南昌大學(xué)陳義旺教授課題組發(fā)表在Advanced Functional Materials 上，文章的第一作者是南昌大學(xué)化學(xué)學(xué)院的博士研究生黃斌，南昌大學(xué)諶烈教授為通訊作者（Advanced Functional Materials, DOI: 10.1002/adfm.201800606.）
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201800606
