与传统的高分子/富勒烯太阳能电池相比,全高分子太阳能电池(all-PSCs)具有光吸收增强以及形貌更稳定等优点。目前全高分子太阳能电池的发展受限于受体高分子的开发,因此迫切需要发展具有低LUMO能级和高电子迁移率(μe)的高分子受体材料。
鉴于p型高分子(高LUMO/HOMO能级)的种类和数量远远多于n型高分子(低LUMO/HOMO能级),我们首次提出在共轭高分子的重复单元中,使用B←N键代替C-C键可以降低共轭高分子的LUMO/HOMO能级达0.5-0.6 eV,将典型的p型高分子转变为n型高分子(Angew. Chem. Int. Ed ., 2015, 54, 3648-3652)。在此报道,基于该思想,我们开发出具有高电子迁移率的新型高分子受体材料,其全高分子太阳能电池器件的效率达到5%,和经典的高分子受体材料性能相当。
通过延长共聚单元的长度,π-π堆积距离从0.46 nm缩小到0.38 nm,有效提高分子间π轨道重叠,实现了共轭高分子的电子迁移率由P-BN-TPD的3.40 × 10–7 cm2 V–1 s–1提高到P-BN-IID的2.80 × 10–5 cm2 V–1 s–1。将P-BN-IID作为受体材料与给体材料PTB7-Th共混制备的全高分子太阳能电池器件,实现了5.04%的光电转换效率。研究结果表明,使用B←N键将电子给体转变为电子受体的设计策略,可以高效地开发优秀的高分子电子受体材料。
R. Y. Zhao, C. D. Dou*, Z. Y. Xie*, J. Liu*, L. X. Wang, Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 5313, 2016, Hot Paper.