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全聚合物太阳能电池:具有优化LUMO能级的聚合物受体材料

       评价高分子受体材料的一个重要参数是LUMO能级。在全聚合物太阳能电池(all-PSC)中,受体的LUMO能级对给受体间的电荷分离驱动力和最终器件的VOC都有重要影响。经典的基于NDI单元的全聚合物受体,由于LUMO能级定域在NDI单元上,材料的LUMO能级相对固定,且LUMO能级位置较低,导致all-PSC器件的VOC较低。我们开发的基于BNBP单元的聚合物受体材料,由于LUMO能级在整个共轭聚合物骨架上离域,随共聚单元不同,其表现出可调的LUMO能级。与P-BNBP-T(BNBP单元与噻吩共聚)的LUMO能级(-3.50 eV)相比,基于BNBP与硒吩共聚的P-BNBP-Se的LUMO能级降低了约0.16 eV, 为3.66 eV。因而,P-BNBP-Se可与高效给体PTB7-Th搭配,用于制备all-PSC器件。另外,由于Se原子半径较S原子大,P-BNBP-Se聚合物间相互作用较强,π-π堆积距离变小,其电子迁移率可达μe = 2.07 × 10−4 cm2 V−1 s−1,高于P-BNBP-T(μe = 7.16 × 10−5 cm2 V−1 s−1)。最终,基于PTB7-Th/P-BNBP-T的器件能量转换效率(PCE)只有2.27%,而基于PTB7-Th/P-BNBP-Se的器件PCE可达4.26%。更重要的是,由于P-BNBP-Se合适的LUMO能级,基于P-BNBP-Se的all-PSC器件的VOC比基于N2200受体的器件高约0.2 V。这些结果表明,基于BNBP单元的受体聚合物可用于制备高VOC、低能量损失的高PCE的all-PSC器件。

                                               Zicheng Ding, Xiaojing Long, Chuandong Dou*, Jun Liu*, Lixiang Wang, Chem. Sci. 2016, DOI: 10.1039/C6SC01756H.