化学所侯剑辉&张少青JMCA：基于吡嗪的低成本聚合物给体实现的效率超过16%的有机太阳能电池
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阅读： 2022/12/13 14:14:28
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前言回顾
目前，高性能有机太阳能电池（OSCs）通常基于具有复杂稠环化学结构的光伏材料，如明星聚合物给体PM6、非富勒烯受体Y6及其衍生物等。考虑到成本问题，复杂芳香环化或氟化反应可能因此阻碍OSCs未来的商业化。为了降低合成成本，目前人们已经做出了一些努力来缩短合成步骤，比如使用简化的构建单元，或控制反应条件并简化纯化方法。其中，设计具有非稠环化学结构且没有任何昂贵官能团的新型光伏材料被认为是解决关键成本问题的有效途径。
具有非常简单化学结构的聚合物给体的合理设计主要基于传统的共轭聚合物，如聚噻吩（PT）和聚噻吩乙烯（PTV），它们显示出高度可调的光学和电子性质以及相对有效的电荷传输能力。吡嗪衍生物喹喔啉（Qx）和二噻嗪并喹喔啉，由于其优异的电致发光性能，已成功应用于OSCs。吡嗪是市场上广泛可用的结构单元，具有高度平面和对称的几何结构，1,4位的氮原子缺乏电子。这些特性不仅有助于增强分子间相互作用，而且有助于加强分子内电荷转移（ICT），从而协同调节相应聚合物的能级、吸收光谱和预聚集行为。然而，关于吡嗪单元在OSCs中的应用研究很少。
图1.分子合成步骤、理论计算与扭转能量分布
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文献简介
有鉴于此，近日，中科院化学研究所侯剑辉研究员、北京科技大学张少青副教授团队利用低成本吡嗪设计和合成了一对聚合物PPz和PPz-T，并研究了它们在光吸收、能级、预聚集行为、光伏性能、共混物形态等方面的差异。理论计算表明，吡嗪的氮原子诱导的非共价相互作用可以促进平面分子骨架，并减少可能的亚构象数量。与PPz相比，温度相关的空穴迁移率和光吸收测量表明PPz-T原始膜中的聚集行为更强，能量无序更低。氮原子的缺电子特征为两种聚合物提供了深HOMO能级，其中PPz-T显示出与电子受体BTP-eC9（缩写为eC9）匹配的能级，从而可以提供足够的激发分离驱动力。最终结果显示，基于PPz-T:eC9的最佳器件获得了16.16%的高PCE，是基于低成本聚合物给体的器件最高性能之一。
图2.分子特性与光伏性能
图3.瞬态吸收光谱
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文献总结
综上，该工作不仅开发了两种具有由吡嗪单元组成的非常简单的低成本聚合物，而且还证明通过适当的分子设计方法可以获得具有高PCE器件。相关研究成果最新发表于材料及能源化学领域顶级期刊《Journal of Materials Chemistry A》上，题为“An over 16% efficiency organic solar cell enabled by a low-cost pyrazine-based polymer donor”。
本文关键词：有机太阳能电池，聚合物给体，结构设计，低成本，吡嗪。
转自：“有机光电前沿”微信公众号
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