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  聚合物受體材料一直是有機光伏材料設(shè)計的重點和難點，發(fā)展高性能聚合物受體材料對于有機太陽能電池領(lǐng)域具有重要的基礎(chǔ)科學(xué)意義和實用價值。例如，基于聚合物給受體材料的全聚合物太陽能電池（all-PSCs）相對于其它類型的有機光伏電池表現(xiàn)出更為優(yōu)異的器件穩(wěn)定性和力學(xué)性質(zhì)，在柔性、可穿戴電子器件領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。然而，高性能聚合物受體材料高度缺乏，嚴重阻礙了all-PSCs性能的提升及有機光電領(lǐng)域的發(fā)展。

  具有良好離域與平面骨架結(jié)構(gòu)的π共軛梯形芳烴是構(gòu)建高性能光伏材料的理想模塊，但由于合成的挑戰(zhàn)，大部分梯形芳烴表現(xiàn)出富電子性質(zhì)。2017年南方科技大學(xué)郭旭崗教授團隊研發(fā)出一系列酰亞胺功能化的梯形芳烴BTIn（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 15304）, 在構(gòu)筑高性能聚合物受體材料表現(xiàn)出極大的潛力(Adv. Mater. 2019, 31, 1807220; Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1903970; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 14449; Adv. Mater. 2020, 32, 2004183; Chem 2020, 6, 1310; Adv. Mater. 2021, 33, 2102635; Acc. Chem. Res. 2021, 54, 3804)，但梯形芳烴基聚合物受體結(jié)構(gòu)與光伏性能間的構(gòu)性關(guān)系尚處在初級研究階段。

圖2. 基于PBTIn-(F)T (n=1-4)聚合物重復(fù)單元的DFT計算結(jié)果。

  最近，南方科技大學(xué)郭旭崗教授團隊聯(lián)合廣州大學(xué)孫會靚教授，在前期工作的基礎(chǔ)上，發(fā)展了最多含十二個環(huán)的多酰亞胺基聚合物受體（圖1a，PBTI4-T和PBTI4-FT）。通過拉曼光譜、掠入射廣角X射線散射等表征手段，系統(tǒng)地研究了BTIn的π共軛骨架長度和氟化策略對梯形芳烴基聚合物受體前沿分子軌道（FMO）能級、主鏈構(gòu)型和共混薄膜形貌等的影響。研究發(fā)現(xiàn)，酰亞胺官能團數(shù)量的逐漸增加不但能夠降低聚合物的FMO能級，增強電子傳輸性能，而且可以減小聚合物的光學(xué)帶隙，提升對太陽光的捕獲能力。同時，噻吩給體單元中氟原子的引入使得該系列聚合物受體的吸收發(fā)生藍移且LUMO能級進一步降低。此外，構(gòu)建單元呈現(xiàn)出奇-偶（n=1-4）相關(guān)的對稱性質(zhì)：中心對稱的BTI2和BTI4單元使得聚合物主鏈呈準線性結(jié)構(gòu)，在純膜和共混膜中均表現(xiàn)出高結(jié)晶相及強烈聚集；而軸對稱的BTI3單元使其聚合物具有更加彎曲的骨架，有利于聚合物給受體材料最佳共混形貌的形成，促進激子的高效解離和電荷的有效傳遞，從而使得基于PBT3-(F)T聚合物受體的all-PSCs獲得最優(yōu)的器件性能。而進一步增加或者減小梯形單元的共軛長度，會導(dǎo)致器件性能下降。這些酰亞胺功能化梯形芳烴基聚合物受體材料的構(gòu)性關(guān)系為進一步發(fā)展聚合物受體材料提供了重要的設(shè)計思路和材料基礎(chǔ)。

  以上相關(guān)成果以Backbone Configuration and Electronic Property Tuning of Imide-Functionalized Ladder-Type Heteroarenes-Based Polymer Acceptors for Efficient All-Polymer Solar Cells為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上，該論文的第一作者為南方科技大學(xué)博士后劉斌和王英鋒，通訊作者為南方科技大學(xué)郭旭崗教授，廣州大學(xué)孫會靚教授和西班牙馬拉加大學(xué)Rocío Ponce Ortiz教授。韓國高麗大學(xué)的Han Young Woo教授和馬拉加大學(xué)Rocío Ponce Ortiz教授為本工作提供形貌表征等技術(shù)支持。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202200065

  郭旭崗教授課題組網(wǎng)址：http://faculty.sustech.edu.cn/guoxg/