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牛利教授团队在《Adv. Energy Mater.》期刊发表最新研究进展

作者：时间：2023-06-21 点击数：

近日，我院牛利教授团队在低成本有机高分子光伏材料制备方面取得进展，成果以“Polythiophene Derivatives for Efficient All-Polymer Solar Cells”发表在《Advanced Energy Materials》（影响因子：29.69）期刊上。

全聚合物有机太阳能电池由于其具有良好的热稳定性和机械性能而备受关注。随着小分子受体高分子化策略的发展，基于全聚合物有机电池的能量转化效率已经达到18%。然而，这些高效的给受体材料通常是由稠合的给体和受体单元构成，其复杂的合成步骤和昂贵的材料成本不利于进一步大面积应用。聚噻吩及其衍生物由于其结构简单、合成步骤短和原料成本低等优势，被认为是推动有机电池走向进一步应用的关键材料之一。但是，聚噻吩由于其较高的HOMO能级和较强的结晶性导致其与受体材料（尤其是聚合物受体）的能级匹配性差且很难形成理想的共混膜形貌。

针对此，牛利教授团队将前期自主研发的新颖噻吩衍生物（Energy Environ. Sci. 2019, 12, 3328）通过乙烯基桥连创制出了新型受体单元（FETVT），然后与噻吩锡化单体共聚得到目标聚合物PFETVT-T，为了充分展现新受体基元的优势，作者同时合成了PFETVT-T的异构体（PETVT-FT）图1。氟原子和酯基的引入可以降低聚合物分子的LUMO和HOMO能级，同时可以调控分子骨架的堆积。作者发现聚合物PFETVT-T分子骨架在噻吩单元与乙烯基之间具有14.28°的二面角，可以有效的限制聚合物分子骨架之间的强聚集，进而调控分子之间的预聚集行为（图2）。其中PFETVT-T与聚合物受体材料L15具有匹配的能级，互补的吸收光谱和良好的共混膜相容性。将二者共混制备的全聚合物电池获得了11.81%效率，远高于基于PETVT-FT的全聚合物电池的效率（1.92%），该工作为有机光伏领域提供全新的低成本构筑模块和给体材料。

图1.新型噻吩单体和聚合物的设计与合成。

图2.（a）聚合物PETVT-FT，PFETVT-T和L15的分子结构；（b）聚合物PETVT-FT和PFETVT-T理论模拟；（c）聚合物能级；（d）聚合物在溶液和薄膜状态下的紫外吸收光谱；（b）聚合物PETVT-FT和PFETVT-T在溶液状态下随温度变化的紫外吸收。

牛利教授团队孙会靓教授为论文通讯作者，硕士生白晴晴和博士后安明伟为论文的共同第一作者。太阳成集团tyc151为论文第一通讯单位。以上研究工作得到南方科技大学郭旭岗教授、太阳成集团tyc151牛利和韩冬雪教授、国家纳米科学中心裘晓辉教授、深圳技术大学张光烨教授、韩国高丽大学Han Young Woo教授的大力支持。该成果得到国家自然科学基金、广东省自然科学杰出青年基金、广东省自然科学基金、中国博士后科学基金和深圳市自然学基金和华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室基金的经费支持。最近团队相关成果还陆续发表在化学和材料领域其他多个顶级刊物，包括：Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.和Energy Environ. Sci.等。