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引达省并二噻吩(IDT)材料新的修饰策略—氧原子扩环

有机太阳能电池作为清洁可再生能源潜力巨大,而且具备轻便、柔韧、可折叠、可大面积打印等特点,得到了学术界和工业界的广泛重视。近几年,有机太阳能电池效率得到了飞速提升,已经超过了13%。这其中几类典型的供体单元功不可没,比如苯并二噻吩(BDT)、烷基噻吩取代的苯并二噻吩 (BDTT)、引达省并二噻吩(IDT)等。特别是IDT,不仅基于这类模块的供体聚合物取得了良好的光电转换效率,而且基于IDT衍生物的非富勒烯受体配以合适的电子供体创造了目前为止最高的器件效率。这是因为IDT类的骨架平面刚性有利于提升有效共轭长度以及促进分子内的载流子迁移;同时分布于骨架两侧的大体积非共平面侧链可以抑制长程有序堆积,提供拟三维电荷传输通道。

 

但迄今为止IDT的修饰方法比较有限,主要包括调控侧链的大小或立体结构、扩展共轭骨架或者改变骨架中的杂原子种类等。这限制了IDT类新材料的进一步开发和应用。通过文献调研发现,合理的利用杂原子的诱导效应和共轭效应,可以有效调控分子的能级、分子间堆积和微观形貌等。Yang Yang课题组通过把氧原子插入环戊二噻吩骨架,成功制备了高效低带隙聚合物太阳能电池。但类似的策略应用在IDT骨架上尚未见诸报道。

 

引达省并二噻吩(IDT)材料新的修饰策略—氧原子扩环

最近,四川大学高分子科学与工程学院徐云祥副教授与杭州电子科技大学臧月博士、南昌大学姚凯副教授合作,成功在IDT骨架内引入了两个氧原子进行扩环得到了新型梯形供体单元IDTP,并对相应的电子供体聚合物PIDTP-FBT进行了表征及光伏性能测试。与基于IDT的聚合物PIDT-FBT相比,氧原子的引入降低了HOMO能级从而提升了开路电压(从0.91 V提升到0.94 V),这主要是由于间位氧原子的诱导效应引起的。更有趣的是氧原子的引入导致IDTP分子骨架产生了一定程度的扭曲,与氧原子相邻的sp3碳原子离开了骨架平面,使得烷基苯侧链在骨架平面两侧存在面不对称分布。这种不对称分布削弱了侧链的空间位阻效应,从而提高了聚合物分子间的π-π堆积紧密程度(π-π堆积距离从0.45 nm减小到0.39 nm)。这也导致了PIDTP-FBT薄膜吸收范围相对溶液显著红移(45 nm)。二维XRD测试发现,含IDTP单元的聚合物倾向于形成相关长度更小的晶粒,这削弱了其电荷传输能力;荧光淬灭实验也表明PIDTP-FBT与富勒烯间的电荷分离效率偏低,这都导致了其器件相对不高的外量子效率。这项研究成功开发出了一种针对IDT单元新的改性方法,证明了在已知结构中引入桥联杂原子可以对分子的构象、堆积形貌乃至最终的光电性能产生巨大的影响,为有机太阳能电池分子设计与改性提供了新的思路。

 

相关结果发表在Macromolecular Rapid Communication (DOI:10.1002/marc.201700156)上,文章第一作者为硕士生秦彤,文章链接为http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/marc.201700156/full,或直接点击左下角阅读原文按钮进行阅读。

 

 

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