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  近幾年，有機(jī)太陽能電池（OSC）由于其低成本、重量輕、可柔性制備等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。隨著材料的不斷開發(fā)，單結(jié)有機(jī)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率（PCE）已超過18%。其中，p型半導(dǎo)體材料的革新起到了至關(guān)重要的作用。近幾年，大多數(shù)優(yōu)秀的聚合物給體材料主要是以苯并二噻吩（BDT）為供電子單元構(gòu)造的，而呋喃類供電子單元關(guān)注較少，其構(gòu)成的材料效率仍滯后于噻吩類材料。然而，呋喃本身擁有一些獨(dú)有的特性，呋喃的氧原子半徑要小于噻吩的硫原子半徑，因此呋喃類材料具有比噻吩材料有更小的空間位阻，更易形成緊密的分子堆積，從而提高材料的電荷遷移率。因此，呋喃類給體材料是應(yīng)用在有機(jī)光伏領(lǐng)域是十分有前景的。

  近期，北京航空航天大學(xué)霍利軍課題組在呋喃類聚合物給體材料的研究中取得重要進(jìn)展。2015年他們發(fā)現(xiàn)苯并二呋喃類的材料有很好的平面性，從而構(gòu)成有序的分子堆積，相關(guān)的器件也達(dá)到不錯(cuò)的效率（Adv. Mater., 2015, 27, 6969）。最近，他們考慮到萘并二呋喃（NDF）相比BDF單元有更長(zhǎng)的共軛結(jié)構(gòu)，能顯著提高分子的離域能力，促進(jìn)電荷傳輸，合成了以萘并二呋喃為給體單元，功能化三噻吩為受體單元的寬帶隙聚合物給體PNDF-3T。同時(shí)，他們也合成了萘并噻吩類聚合物PNDT-3T來作為對(duì)比材料。通過對(duì)比兩個(gè)分子的吸收光譜，PNDF-3T顯示了一個(gè)相對(duì)PNDT-3T紅移的吸收和明顯的肩峰，這表明PNDF-3T有一個(gè)優(yōu)秀的堆積性能。從電化學(xué)測(cè)試結(jié)果來看，PNDF-3T相比PNDT-3T有更深的HOMO能級(jí)，這是因?yàn)檠踉拥碾娯?fù)性大于硫原子，這也為器件的開路電壓（V_oc）提供了基礎(chǔ)。之后，他們利用理論計(jì)算分析兩個(gè)分子的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)PNDF-3T相比PNDT-3T有更為平直的分子結(jié)構(gòu)，有利于形成更有效的π-π堆積

圖一 （a）PNDF-3T和PNDT-3T的分子結(jié)構(gòu)；（b）PNDF-3T和PNDT-3T在薄膜狀態(tài)下的紫外吸收光譜；（c）PNDF-3T和PNDT-3T器件結(jié)構(gòu)的能級(jí)示意圖；（d）PNDF-3T和PNDT-3T結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算排列

  隨后，他們分別使用PNDF-3T和PNDT-3T作為給體、ITIC-4Cl作為受體，構(gòu)建了兩個(gè)反式結(jié)構(gòu)的OSCs來測(cè)試兩個(gè)材料的光伏性能。結(jié)果顯示，PNDF-3T的器件PCE達(dá)到了14.21%，對(duì)應(yīng)的V_oc為0.91 V，短路電流（J_sc）為20.80 mA/cm²，填充因子（FF）為 of 75.1%；而PNDT-3T只達(dá)到10.86%的PCE，對(duì)應(yīng)的V_oc為0.90 V， J_sc為16.19 mA/cm²，F(xiàn)F為 of 74.5%。其中，14.21%的PCE是現(xiàn)在呋喃類聚合物給體材料的最高效率。通過對(duì)兩個(gè)材料的器件進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)PNDF-3T相比PNDT-3T具有更大范圍的IPCE光譜，更弱的激子復(fù)合，以及更高的激子解離和收集效率，因此，PNDF-3T器件的短路電流和填充因子遠(yuǎn)高于PNDT-3T。利用掠入射廣角X射線散射測(cè)試來研究?jī)蓚�(gè)分子混合膜的微觀形貌，發(fā)現(xiàn)兩種分子都顯示明顯的“face-on”朝向，但PNDF-3T相比PNDT-3T有更為緊密的堆積，從而實(shí)現(xiàn)了更有效的電荷傳輸。該研究表明，呋喃類材料相對(duì)噻吩類材料有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，有成為高性能光伏材料的潛力。

圖二 （a）PNDF-3T和PNDT-3T器件的J-V曲線；（b）PNDF-3T和PNDT-3T的IPQE曲線；（c）基于NDT-3T：ITIC-4Cl和NDF-3T：ITIC-4Cl的PSC的光電流密度（Jph）與光強(qiáng)度特性；（d）基于NDT-3T：ITIC-4Cl和NDF-3T：ITIC-4Cl的PSC的光電流密度（Jph）與有效電壓（Ve ?）特性的關(guān)系；（e）2012-2020年間報(bào)告的含NDF單元聚合物電池的PCE值；（f）基于NDT-3T：ITIC-4Cl和NDF-3T：ITIC-4Cl共混膜的GIWAX圖像和相應(yīng)的IP和OOP方向曲線

  以上相關(guān)成果近日在Advanced Energy Materials上發(fā)表。論文第一作者為北京航空航天大學(xué)博士生鄭冰，通訊作者為北京航空航天大學(xué)霍利軍教授、上海交通大學(xué)劉峰教授。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202003954

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