圖1. 新型苯并呋喃基共軛聚合物PBDFP-Bz分子結(jié)構(gòu)及其物理化學(xué)性質(zhì)

圖2. PBDFP-Bz基聚合物太陽能電池光伏性能與已報道苯并呋喃基聚合物太陽能電池光伏性能對比

近日，我校光伏材料省重點實驗室譚付瑞課題組在聚合物太陽能電池方面的研究取得最新成果，該工作以“Novel benzo[1,2-b:4,5-b']difuran-based copolymer enables efficient polymer solar cells with small energy loss and high VOC”為題，發(fā)表在國際能源領(lǐng)域頂級期刊《Nano Energy》（影響因子16.606）。

最近5年，基于原材料來源廣泛且環(huán)保、分子易于合成、載流子遷移率高等優(yōu)點的苯并呋喃單元在構(gòu)筑高性能寬帶隙聚合物給體材料方面引起科研人員的研究興趣。目前苯并呋喃基聚合物材料自身帶隙與聚合物太陽能電池開路電壓存在較大偏差，相應(yīng)的聚合物太陽能電池面臨著較大的內(nèi)部能量損失，限制了其光伏性能的提升。為了進一步提升基于苯并呋喃基聚合物的器件效率，合理調(diào)控苯并呋喃基聚合物分子結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)其分子軌道能級與器件開路電壓的兼容性提升，降低相關(guān)器件的內(nèi)部能量損失是解決問題的突破所在。

針對上述問題，譚付瑞課題組通過聚合物側(cè)鏈調(diào)控策略，將氟原子與烷硫基苯同時引入苯并呋喃單元側(cè)鏈，設(shè)計合成了新型苯并呋喃基共軛聚合物PBDFP-Bz（圖1）。受益于苯并呋喃單元較好的剛性結(jié)構(gòu)、氟原子/硫原子與PBDFP-Bz分子內(nèi)的非共價鍵相互作用，PBDFP-Bz展現(xiàn)出較好的共軛平面，較強的分子間相互作用、與小分子受體材料較佳的光電性能匹配度。PBDFP-Bz:IT-M基器件獲得了12.93%的較高光電轉(zhuǎn)化效率，而且器件開路電壓達到1.02V，能量損失小至0.57eV（圖2）。更為重要的是，基于PBDFP-Bz的器件在300 nm活性層厚度范圍內(nèi)表現(xiàn)出很好的輸出效率，而且器件在優(yōu)化條件下對空氣、光照表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。研究工作為新型高效光伏聚合物材料提供了新的分子設(shè)計指導(dǎo)。

河南大學(xué)為論文的第一完成單位，高躍岳與申志濤兩位青年骨干教師為第一論文作者，譚付瑞副教授為第一通訊作者，中科院半導(dǎo)體所王智杰研究員為論文的共同通訊作者。研究工作受到國家重點研究發(fā)展計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略重點研究計劃、國家自然科學(xué)基金項目、國家博士后面上基金項目等資助。

譚付瑞課題組在實驗室主任張偉風(fēng)教授和實驗室同事的大力支持下，主要致力于納米能源材料與器件方面研究，涵蓋了半導(dǎo)體低維材料與異質(zhì)結(jié)構(gòu)的液相制備技術(shù)、新型薄膜太陽能電池、光電探測、超級電容器等。目前課題組成員在以第一或通訊作者在《Advanced Materials》、《Advanced Energy Materials》、《Advanced Functional Materials》 《Nano Energy》、 《Journal of Materials Chemistry A》、 《Macromolecules》、 《Solar RRL》等國際知名SCI期刊發(fā)表論文70余篇，在量子點、有機聚合物、鈣鈦礦、染料敏化太陽能電池及光電探測器等研究領(lǐng)域取得了一系列研究成果。