《EES》新颖单噻吩衍生物助力非富勒烯有机太阳能电池实现大于16%的能量转化效率

来源：高分子科学前沿

基于有机半导体材料作为光敏活性层的有机太阳能电池(OSCs)具有材料结构多样性，可大面积低成本印刷制备、柔性、半透明等优点，从而实现无机太阳能电池技术所不具备的许多优良特性。除了作为正常的发电装置外，在其他领域如节能建筑一体化、可穿戴设备等方面也具有巨大的应用潜力。但是有机太阳能电池的效率相对于传统的硅电池和新兴的钙钛矿电池还有一定的差距，光伏材料的革新是有机太阳能电池发展的原动力和根本。

日前，南方科技大学郭旭岗教授团队联合香港科技大学颜河教授，林雪平大学高峰教授和香港中文大学路新慧教授团队，首次将有机太阳能电池领域中两个功能性最强，应用最广泛的拉电子基团氟原子和酯基同时引入到了单噻吩的β位置，获得了有机太阳能电池中的重要建筑模块——单噻吩衍生物FE-T。该噻吩衍生物中氟和酯基两个功能基团的协同作用将会衍生出一系列宽带隙，深HOMO能级、高空穴迁移率、结晶性可控的给体材料。在本工作中，该研究团队展示了第一个基于全新噻吩衍生物FE-T的高性能高分子给体材料S1，并在非富勒太阳能电池中实现了>16%的能量转化效率。此外FE-T构建单元对聚合物能级的深入优化使得该电池能量损失仅为0.53电子伏，非辐射复合仅为0.23电子伏。S1是迄今为止最好的高分子给体材料之一。

图1.文献报道的基于氟和酯基功能化噻吩的高性能高分子给体材料和基于FE-T的高分子给体材料S1。

目前，该研究工作以“Amonothiophene unit incorporating both fluoro and ester substitution enabling high-performancedonor polymers for non-fullerene solar cells with 16.4% efficiency”为题在线发表在《能源与环境科学》(Energy & Environmental Science, DOI: 10.1039/c9ee01890e; 影响因子：33.25)。该研究工作是基于前期郭旭岗教授团队对新颖噻吩衍生物的设计，合成及对有机太阳能电池中中高性能高分子半导体材料构效关系的深入理解。在2019年初，该团队首次合成同时含有氟和酯基的噻吩衍生物，基于其合成的n-型高分子受体材料打破了过去10年苯二酰亚胺聚合物对高性能高分子受体材料的垄断(Adv. Mater. 2019,31, 1807220; Solar RRL 2019, 3, 1970021)。在此基础上，该团队优化了化学合成路线，以大于80%的总产率制备出新噻吩衍生物单体FE-T，合成了高分子给体材料S1。可以预见FE-T将衍生物出更多高性能有机光伏材料，该工作为发展高效的有机太阳能电池提供了新的材料体系，进一步推进了有机太阳能电池的进程。郭旭岗团队负责材料设计，合成及表征，颜河团队进行了器件制备和优化，高峰团队负责器件物理表征，路新慧团队进行薄膜形貌表征。同时特别感谢噻吩化学领域专家河南大学王华教授。

图2. 基于S1高分子半导体给体材料的高效非富勒烯有机太阳能电池的器件性能和能量损失。电池实现了16.4%的能量转化效率，能量损失仅为0.53电子伏，其中非辐射复合损失仅为0.23电子伏。