武庆贺&何凤Joule:基于萘噻吩亚胺聚合物给体实现效率超过17%的OSC

体异质结有机太阳能电池（OSC）活性层中含有相应的给体和受体材料，其光电性能高度依赖于给体和受体的光学物理性质和相容性。近几年来，随着非富勒烯受体的迅速发展，从ITIC到Y6及其衍生物，使得OSC的光电转换效率（PCE）突破了18%。与富勒烯衍生物不同的是，非富勒烯受体往往具有独特的物理性质，如高度结晶性、近红外吸收、较低的LUMO能级和中等的HOMO能级，这些新特性要求相应的给体具有匹配的能级和良好的相容性。到目前为止，只有一些聚合物给体材料，如PM6、D18及其衍生物等所制备的OSC器件的PCE高于17%。由于Y6及其衍生物的中等HOMO水平（约-5.65 eV），设计新型缺电子单元以降低整体聚合物给体的HOMO水平，对于高性能OSC的发展具有重要意义。

图1:PNTB与PNTB-2T的结构，能级和光学性质

基于以上的考虑，近日，汕头大学武庆贺教授与南方科技大学何凤教授合作设计和开发了两种基于萘噻吩亚胺（NTI）单元的新型聚合物给体分子，PNTB和PNTB-2T。由于NTI具有很强的吸电子能力，因此即使PNTB-2T具有更大的给电子单元，两种聚合物也表现出较低的HOMO能级（PNTB为-5.60 eV；PNTB-2T为-5.52 eV）。通过与小分子受体Y6搭配，基于PNTB的器件的效率仅为3.81%，而基于PNTB-2T器件的效率却高达到16.72%，这对于新型聚合物给体来说具有非常大的应用价值。研究人员随后将PC₇₁BM作为第三种成分添加到基于PNTB-2T:Y6的二元器件中，最终三元器件的PCE提高到了17.35%，这主要是因为填充因子（FF）得到了显著的提高为0.75（二元器件的FF为0.73），与此同时，第三种成分也可以显著减少非辐射复合能量损失。  

图2:基于PNTB:Y6，PNTB-2T:Y6和PNTB-2T:Y6:PC₇₁BM器件的光伏特性

此外，研究人员也通过相关实验说明了PNTB-2T之所以比PNTB光电性能更好的原因。主要是因为PNTB-2T的共轭链具有更好的远距离平面性，这有利于π-π堆积（PNTB-2T为3.74 Å；PNTB为4.04 Å），而且聚合物链有序填充，形成良好的共混膜形貌和有效的空穴传输（PNTB-2T的空穴迁移率为3.08×10^-4 cm² V^-1 s^-1比PNTB的2.61×10^-5 cm² V^-1 s^-1高出一个数量级）。另一方面，NTI的强吸电子单元的优势在于，其不仅可以保持高的开路电压（V_OC），而且还可以通过改变结构调节聚合物给体的光物理和成膜性能。研究人员还研究了不同批次的聚合物给体对光伏性能的影响，结果表明，PNTB-2T在性能上具有极好的可重复性，并且四个分子量差异较大的批次均显示出高于16.4%的最佳性能，这使得这种新型NTI系列聚合物给体更加有望用于未来的商业化生产之中。

图3:相关材料的掠入射广角X射线散射表征

总之，这项工作不仅开发了一种新系列高性能重复性好的聚合物给体材料，也为后续相关工作制备高性能OSC材料提供了新的策略。相关研究成果现已发表在Cell子刊《Joule》上，题为“Naphthalenothiophene imide-based polymer exhibiting over 17% efficiency”。

文献地址：

https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.02.003

文中所涉及材料：

Y6：2304444-49-1

PC₇₁BM：609771-63-3

PNTB

PNTB-2T