李永舫院士、张志国教授特约专论： 基于苯并三氮唑的二维共轭聚合物给体材料在高性能聚合物太阳电池中的应用
太阳能是地球上最重要的可再生能源，有效地开发和利用太阳能有助于解决当今世界的能源与环境问题，而聚合物太阳电池(Polymer solar cells, PSCs)因其成本低、重量轻、可溶液加工以及可以制备成柔性和半透明器件等独特的优势得到了广泛的关注和研究，近年来成为太阳能研究领域的热点之一。PSCs的活性层采用的是本体异质结结构，是由p-型共轭聚合物(p-type conjugated polymer, p-CP)为给体与n-型有机半导体(n-type organic semiconductor, n-OS)或n-型共轭聚合物(n-type conjugated polymer, n-CP)为受体，共混组成。
近年来，得益于p-CP给体材料和窄带隙n-OS/n-CP受体材料相关研究的突破性进展，聚合物太阳电池的能量转换效率(Power conversion efficiencies, PCEs)已提升至17%左右。要实现高效的PSCs，需要设计合适的聚合物给体材料，能够与窄带隙受体形成互补的吸收光谱以及纳米尺度的相分离，并能够降低器件的能量损失。基于苯并三氮唑(Benzotriazole, BTA)受体(A)单元与苯并二噻吩(Bithienylbenzodithiophene, BDTT)给体(D)单元D-A共聚，中科院化学所李永舫研究组设计开发了一类J系列二维共轭聚合物。这类聚合物具有合适的能带隙(大约1.8 eV)，在400-650 nm具有强的吸收光谱，并显示出强的结晶性和高的空穴迁移率。更为重要的是，这类聚合物可以通过调控其分子结构例如共轭侧链，有效地调控其聚集态和电子能级，使其更好地与不同类型的窄带隙受体材料匹配，均显示出优良的光伏性能。J系列聚合物已经在国内外众多实验室得到广泛应用。
受《Chinese Journal of Polymer Science》的邀请，李永舫院士与北京化工大学张志国教授合作撰写了题为“Benzotriazole Based 2D-conjugated Polymer Donors for High Performance Polymer Solar Cells”的专论文章，对J系列聚合物给体的研究成果(Nat. Commun. 2016, 7,13651; Adv. Mater. 2016, 28, 1884; Adv. Mater. 2016, 28, 8288; J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 15011; J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 4657; Adv. Mater. 2017, 40, 1703344等)做了详细介绍。归纳了J系列聚合物的设计与合成策略，特别强调了共轭侧链对聚合物给体光伏性能的重要影响，并结合吸收光谱、器件的电压损失以及活性层的形貌，对分子设计策略进行了详细讨论和分析，揭示了给受体材料匹配的原则，为光伏材料的进一步优化设计提供了行之有效的思路。最后，作者展望了基于BTA受体单元的D-A共聚物给体材料的发展机遇和挑战。该专论即将发表于Chinese Journal of Polymer Science上。
原文链接：
https://link.springer.com/article/10.1007/s10118-020-2496-5
来源：高分子科学
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