《先进材料》一种含B←N键的新型聚合物材料实现高效光电能量转换

来源：高分子科学前沿

Lewis酸-碱作用是有机化学中的经典概念。以含B的Lewis酸（三氟化硼）和含N的Lewis碱（氨）之间相互作用为例：sp2杂化的B有一个空轨道，具有得到电子的倾向，是强缺电子中心，极易与含孤对电子的N原子作用，从而形成高极性的配位键（图1）。利用这一经典原理，可以将B←N键引入到共轭分子中，从而设计出新颖的有机共轭材料。华侨大学黄剑华课题组与中科院化学所詹传郎研究员课题组、香港科技大学刘焘博士和颜河教授课题组等合作，开发出一种含硼氮配位键（B←N）的新型缺电子单元BNIDT，并用该单元构筑了两个新型聚合物受体材料制备全聚合物太阳电池，表现出8.78%的高转化效率。

图1. 三氟化硼和氨的Lewis酸-碱配位作用示意图

B缺电子中心：调色能手

他们首先将B←N键引入共轭骨架，得到一个平面性的共轭单元BNIDT。通过与类似单元Pz-T和IDT对比发现，骨架引入了B←N键，分子颜色加深，从无色变成深红色，导致对太阳光吸收范围变宽，发射光谱也红移。能级测试表明这类含B←N键的分子具有较高的电子亲和能，缺电子能力强。

图2. BNDIT、Pz-T和IDT分子结构及其溶液在可见光和紫外光照射下的照片

含B←N键聚合物：光电能量转换高手

进一步选择噻吩和3,4-二氟噻吩作为共聚单元，分别与BNIDT共聚，构筑了两个含B←N键的新型共轭聚合物BN-T和BN-2fT。通过对聚合物进行表征发现，这类聚合物在对可见光具有很宽的吸收，较低的HOMO能级（-5.43 和-5.71 eV）和LUMO能级（-3.85和3.77 eV）。理论计算表明，这类分子骨架表现出（+）的表面静电势，证明其较高的电子亲和力，适合用作聚合物受体材料。选择一个商业化的聚合物PBDB-T作为给体分别与BN-T和BN-2fT共混制备全聚合太阳能电池器件。以PBDB-T: BN-T为活性层的器件表现出4.03%的效率。而基于PBDB-T: BN-2fT的器件光电转换效率达到8.78%，其中，填充因子高达70.4%。这个效率是目前酰亚胺类和氰基乙烯茚酮类聚合物以外的聚合物受体材料中表现出的最高效率。这项研究利用B和N之间的Lewis酸-碱作用，设计合成了一类含B←N键的高效率聚合物受体材料，拓展了高效聚合物受体的种类。

图3. 基于PBDB-T: BN-2fT的全聚合物太阳能电池表现出8.78%的效率

相关论文以“8.78% Efficient All‐Polymer Solar Cells Enabled by Polymer Acceptors Based on a B←N Embedded Electron‐Deficient Unit”为题发表于《先进材料》杂志。该研究在经费上得到了国家自然科学基金青年项目（No. 51603076）和“面向能源的光电转换材料”重大研究计划重点项目（No. 91433202）以及福建省石墨烯粉体及复合材料研究中心（2017H2001）等支持。

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201904585