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  近日，南方科技大學(xué)何鳳副教授團(tuán)隊(duì)在《ACS Applied Energy Materials》發(fā)表了題為“Chlorination of Side Chains: A Strategy for Achieving a High Open Circuit Voltage Over 1.0 V in Benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene-Based Non-Fullerene Solar Cells”的文章(DOI: 10.1021/acsaem.8b00506)。

  在該工作中，作者基于之前在氯取代聚合物給體方面的工作基礎(chǔ)（Macromolecules, 2017, 50, 9617?9625, ACS Energy Lett., 2017, 2, 1971–1977，J. Mater. Chem. A, 2018, 6 , 2942–2951），不同于氟取代聚合物復(fù)雜的合成過(guò)程，氯原子可以通過(guò)更加簡(jiǎn)化的合成步驟引入到聚合物給體材料中，同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)將多個(gè)氯原子直接引入到聚合物的骨架中時(shí)，雖然由于氯原子的吸電子作用以及其空的3d軌道可以容納共軛單元的π電子，導(dǎo)致聚合物的最高占據(jù)軌道（HOMO）的能級(jí)降低，從而在器件上可以獲得較高的開(kāi)路電壓（Voc），但同時(shí)由于多個(gè)氯原子大的空間位阻效應(yīng)，會(huì)在很大程度上會(huì)破壞聚合物骨架的平面性，因此影響分子間的相互作用，同時(shí)也削弱了分子間的電荷傳輸能力，影響器件效率，因此如何平衡開(kāi)路電壓與短路電流之間的關(guān)系極具挑戰(zhàn)。

圖1. （a）側(cè)鏈懸掛的多氯取代聚合物PBClT的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和（b）單體BDT-2Cl以及聚合物PBClT的合成路線

圖2.（a）聚合物以及受體材料ITIC的能級(jí)（b）聚合物PBClT分別于受體材料ITIC、PC61BM和PC71BM組成的器件的J-V曲線

  南方科技大學(xué)何鳳副教授研究團(tuán)隊(duì)基于之前的研究結(jié)果，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示，合成出了共軛側(cè)鏈懸掛的多氯取代聚合物PBClT，并進(jìn)行了深入細(xì)致的研究。研究表明，聚合物PBClT相對(duì)于PTB7-Th，薄膜吸收僅僅發(fā)生了6 nm的藍(lán)移，光學(xué)帶隙也僅僅發(fā)生了微小的改變。這是因?yàn)槁仍邮潜灰氲搅司酆衔颬BClT的共軛側(cè)鏈的兩端，幾乎沒(méi)有產(chǎn)生空間扭曲，所以氯原子對(duì)聚合物骨架的構(gòu)型沒(méi)有產(chǎn)生影響，也不會(huì)明顯改變分子間的相互作用。多個(gè)氯原子的側(cè)鏈懸掛方式的引入，不但沒(méi)有改變聚合物的構(gòu)型，而且由于氯原子與π電子間的共振作用，使聚合物的HOMO能級(jí)下降。相對(duì)于PTB7-Th，PBClT的HOMO能級(jí)為5.47 eV，降低了0.2 eV，有助于Voc的提高。在沒(méi)有任何溶劑添加劑處理的情況下，基于PBClT:ITIC體系的有機(jī)太陽(yáng)能電池獲得了1.01 V的開(kāi)路電壓Voc、8.46%的光電轉(zhuǎn)化效率以及13.95 mA cm-2的短路電流。從器件性能可以看出，首先相對(duì)于PTB7-Th的太陽(yáng)器件，光電轉(zhuǎn)化效率有近22%的提高，同時(shí)在獲得高開(kāi)路電壓Voc的情況下，短路電流Jsc沒(méi)有發(fā)生明顯的降低，因此該項(xiàng)研究巧妙地解決了平衡開(kāi)路電壓Voc與短路電流Jsc之間關(guān)系的難題，對(duì)未來(lái)聚合物給體分子的功能設(shè)計(jì)以及如何提高有機(jī)太陽(yáng)能電池的器件性能提供了新的思路和方法。

  該工作的第一作者為南方科技大學(xué)-北京大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生晁鵬杰，通訊作者為南方科技大學(xué)化學(xué)系何鳳副教授，共同通訊作者為美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室陳偉教授。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaem.8b00506