基于受体1-受体2型聚合物给体的高效有机太阳能电池

李浩，杨晨熠，李佳尧，张少青，侯剑辉

基于受体1-受体2型聚合物给体的高效有机太阳能电池

李浩1，2，杨晨熠1，2，李佳尧2，张少青1，2，侯剑辉1，2

（1. 北京科技大学化学与生物工程学院, 北京 100083； 2. 中国科学院化学研究所, 高分子物理与化学国家重点实验室, 北京 100190）

设计合成了2种宽带隙聚合物给体, 分别命名为PDTz-BDD和PDTz-BDT. 其中, PDTz-BDT是一种典型的给-受体(D-A)型共轭聚合物, PDTz-BDD是具有受体1-受体2(A1-A2)型结构的共轭聚合物. 采用BTP-eC9作为受体, 分别与PDTz-BDD和PDTz-BDT共混构建有机太阳能电池, 系统研究了两种给体的光伏性能. 研究结果表明, 具有A1-A2型结构的PDTz-BDD表现出更强的光吸收能力、更明显的溶液聚集效应与更优良的器件形貌, 相应的光伏电池可以实现更高的光电转换效率(10.36%). 本文不仅设计合成了2种新型给体, 而且为构建A1-A2型共聚物以开发高效聚合物给体提供了参考.

聚合物给体；有机太阳能电池；光伏特性；受体1-受体2型结构

本体异质结有机太阳能电池（OSCs）因其质轻、柔性及适用于大面积卷对卷印刷等独特优点而受到广泛关注［1～5］. 近年来，随着材料合成和器件加工技术的发展，单结有机太阳能电池的光电转换效率（PCE）已突破19%，这表明其具有广阔的应用前景［6～9］. 目前，高效有机光伏器件主要基于非富勒烯受体（NFAs）体系［10～17］，为了实现与吸收范围为600～900 nm的NFAs的互补吸收，研究具有更深最高占据分子轨道（HOMO）能级的宽带隙（g）聚合物给体至关重要［18～28］. 然而，与NFAs相比，关于聚合物给体的研究相对较少.

目前，基于给电子单元（D）和吸电子单元（A）交替共聚的D-A型给体被广泛用于高性能光伏器件中. D-A结构可以形成分子内推拉电子效应，有效增强电荷的传输和收集，从而表现出良好的光伏性能［29～32］. 在D-A共聚物的构筑单元中，吸电子单元非常丰富，包括苯并二噻吩二酮、苯并噻二唑及吡咯并吡咯烷酮等. 而D单元的数量相对较少，主要采用苯并二噻吩单元作为D单元构筑给体聚合物. 有限的D单元限制了D-A共聚物的进一步丰富和发展. 此外，大多数D-A交替聚合物给体的HOMO能级在‒5.20～‒5.40 eV之间，因此当与具有更深的最低未占据分子轨道（LUMO）能级的NFAs共混时，很难获得大的开路电压（OC）. 为了进一步降低HOMO能级，学者们经常在D单元中引入酯基、 F/Cl或其它卤素原子等强电负性基团［33］. 尽管它们可以有效地降低能级，但繁琐的合成步骤和复杂的合成过程导致了高昂的成本问题. 因此，合成具有结构多样性和与低成本的新型聚合物给体是有机光伏领域的一个研究重点.

与D-A型共聚物相对应，近年来一些团队提出了新的分子设计概念：受体1-受体2（A1-A2）型共聚物给体. 由于A单元的强吸电子能力， A1-A2型共聚物通常具有较深的HOMO能级，所制备的有机光伏器件具有高的OC，最高PCE已超过13%［34］. 此外，由于A单元的丰富性和多样性， A1-A2型给体将具有更大的应用潜力. 联噻唑（DTz）是一种具有共面结构的弱吸电子单元，并且结构非常简单，合成路线短，利用联噻唑作为吸电子单元构建聚合物和小分子材料具有潜在的低成本优势，在有机电子器件中有着广泛的应用. 在以前的研究中， DTz单元还显示出很强的结晶性和其它优异的性能，但其在非富勒烯型有机光伏电池中的研究较少［26，35～40］.

本文合成了两种宽带隙聚合物给体PDTz-BDD和PDTz-BDT. 这两个给体都使用结构简单的联噻唑作为A单元. PDTz-BDD是A1-A2型聚合物，其中A2单元是BDD单元. PDTz-BDT聚合物是一种典型的D-A型共聚物，其中D单元是BDT单元. 与广泛应用的高性能聚合物给体材料相比， PDTz-BDD和PDTz-BDT都具有结构简单的构建单元，可低成本合成，并且都具有较深的HOMO能级以及1.70和1.84 eV的光学带隙. 与经典的D-A共聚物PDTz-BDT相比， A1-A2型聚合物PDTz-BDD具有更强的光吸收能力、更加红移的光谱、更明显的溶液聚集效应和更优良的器件形貌. 因此，基于PDTz-BDD的器件实现了10.36%的光电转换效率. 这些结果表明， A1-A2型聚合物的设计理念不但可以有效地调节能级，丰富聚合物给体的多样性，而且在器件性能方面超过了传统的D-A型共聚物，为未来高性能聚合物给体的设计提供了新的思路.

1 实验部分

1.1　试剂与仪器

BTP-eC9（结构式见图1）， DTZ， BDT和BDD单体及阴极界面层材料PFN-Br均购自北京朔纶有机光电科技有限公司； Heraeus Clevios™ AI 4083型阳极界面层PEDOT∶PSS购自德国Heraeus公司；器件制备所用色谱纯级溶剂及添加剂购自北京伊诺凯科技有限公司或国药集团化学试剂有限公司.

2400型数字源表，美国Keithley公司； Enlitech SS-F5-3A型太阳光模拟器、 Enlitech QE-R3011型外量子效率测试系统、 Enlitech PECT-600型高灵敏外量子效率（EQE）测试系统和Enlitech ELCT-3010型电致发光（EL）光谱和EQEEL型光谱测试系统，中国台湾光焱公司；载流子迁移率（Photo-CELIV）测试系统，瑞士Fluxim AG公司； UH5300型紫外-可见分光光度计（UV-Vis），日本日立公司； CHI650D型电化学工作站，上海辰华公司，在室温及氩气气氛下使用标准三电极系统在0.1 mol/L四丁基六氟磷酸铵乙腈溶液中以0.1 V/s的扫描速率测试电化学循环伏安曲线（CV）；使用Gaussian 09软件进行理论模拟计算； Nanoscope V型原子力显微镜（AFM），德国Bruker公司； Xenocs Xeuss 2.0 SAXS/WAXS型掠入射广角X射线散射（GIWAXS）测试系统， Xenocs SA，法国.

Fig.1　Chemical structure of BTP⁃eC9

1.2　PDTz-BDD和PDTz-BDT的合成

PDTz-BDD和PDTz-BDT的合成路线见Scheme 1.

Scheme 1Synthetic routes of PDTz⁃BDD and PDTz⁃BDT

将0.5 mmol DTZ单体与0.5 mmol BDT或BDD单体溶于8 mL甲苯中，向反应体系中通入氩气，使反应处于惰性气氛保护下. 向反应液中加入10 mg催化剂Pd（PPh3）4，持续通入氩气约15 min后升温至110 ℃反应约16 h. 聚合反应完成后将反应液降至室温，用100 mL甲醇沉析，将聚合物过滤后用层析柱提纯，得到PDTz-BDD或PDTz-BDT紫黑色固体，产率均为60%左右. PDTz-BDD，重均分子量（w）为185770，聚合度（）为167，多分散系数（PDI）为3.4； PDTz-BDT，w=253823，=235， PDI=3.4.

1.3　有机太阳能电池的制备

采用ITO/PEDOT∶PSS/Polymer∶BTP-eC9/PFN-Br/Al结构制备正向有机太阳能电池. 将ITO导电玻璃依次用去离子水/洗涤剂、去离子水、丙酮和乙醇洗涤15 min，然后在紫外线+臭氧条件下处理 20 min. 将PEDOT∶PSS以3000 r/min的转速旋涂到玻璃上，并在150 ℃下热退火15 min. 为了使聚合物给体完全溶解，将给体-受体（质量比1∶1）的混合物溶于氯仿（CF）中，溶液总浓度为20 mg/mL，并在45 ℃下搅拌2 h. 向CF溶液中加入0.5%（体积分数）的1，8-二碘辛烷（DIO）作为添加剂. 然后，旋涂共混溶液并在100 ℃下热退火10 min. 随后，在3000 r/min的转速下将PFN-Br旋涂在活性层上. 最后，在高真空（约2×10-4Pa）下蒸发100 nm厚的Al完成有机太阳能电池的制备.

2 结果与讨论

2.1　光物理和电化学性质

聚合物给体的温度依赖聚集特性是高性能太阳电池中产生有序、紧密-堆积的重要前提.将PDTz-BDD和PDTz-BDT溶于邻二甲苯中，研究其溶液预聚集效应. 由图2（A）可见，当温度达到120 ℃时， D-A共聚物PDTz-BDT的最大吸收峰位于481 nm处；当温度降至20 ℃时， PDTz-BDT在邻二甲苯溶液中的吸收发生明显红移，最大吸收峰红移至533 nm，并在接近580 nm处出现微弱肩峰，表现出一定的温度依赖聚集效应.

Fig.2　Temperature⁃dependent UV⁃Vis spectra of PDTz⁃BDT(A) and PDTz⁃BDD(B)

对于A1-A2型共聚物PDTz-BDD［图2（B）］，当溶液温度为120 ℃时，其最大吸收峰位于497 nm处. 随着溶液的逐渐冷却， PDTz-BDD表现出明显的红移吸收，并出现体现预聚集效应的吸收肩峰；在20 ℃下， PDTz-BDD在587 nm处出现明显的吸收峰，同时在638 nm处还有一个强吸收肩峰. 与PDTz-BDT相比， PDTz-BDD的温度依赖聚集特性明显不同，这可能归因于PDTz-BDD拥有更加平面的骨架构象和更强的分子间相互作用.

图3（A）示出PDTz-BDD和PDTz-BDT薄膜的吸收光谱. 与溶液吸收相比，两种聚合物的薄膜吸收表现出明显红移，但PDTz-BDD膜的最大吸收峰仅比溶液状态下红移7 nm，表明PDTz-BDD溶液在室温下已产生了良好的预聚集效应，有利于活性层薄膜中给/受体分子间的堆积与相分离结构，使电荷传输和收集更加高效. 此外， PDTz-BDD薄膜在500～700 nm范围内具有宽而强的吸收，可以与受体BTP-eC9形成更好的互补吸收. 计算得出的PDTz-BDD和PDTz-BDT的光学带隙（g）分别为1.70和1.80 eV. 此外，测量了薄膜消光系数以研究两种聚合物的光捕获能力. PDTz-BDD和PDTz-BDT的消光系数分别9.76×104和6.06×104cm‒1. 可以推测，当PDTz-BDD与BTP-eC9混合时，较高的消光系数将有助于提高短路电流密度（SC）. 采用循环伏安法（CV）研究两种聚合物的电化学性质，详细能级如图3（B）所示， PDTz-BDD和PDTz-BDT的HOMO/LUMO能级分别为-5.47/-3.66 eV和-5.51/-3.62 eV.

Fig.3　Absorption spectra of polymers and BTP⁃eC9 films(A) and energy level alignment of PDTz⁃BDD, PDTz⁃BDT and BTP⁃eC9(B)

2.2　理论计算

为了模拟两个共聚物的骨架几何形状和分子能级，使用高斯软件在优化的B3LYP/6-31G（，）条件下进行密度泛函理论（DFT）计算. 由图4可见，对于PDTz-BDD， DTz单元和BDD单元之间的二面角约为7.3°；对于PDTz-BDT， DTz单元和BDT单元之间的二面角约为9.5°. 小的二面角表明两种给体材料都表现出良好的平面构象，这将有利于电荷的传输. PDTz-BDD与PDTz-BDT的模拟HOMO/LUMO能级分别为‒4.99/‒2.75 eV与‒4.93/‒2.52 eV. 结果表明，具有较强电子亲和力的BDD单元导致PDTz-BDD表现出较高的HOMO能级. 同时，由上述给体的静电势（ESP）分布（图4）可以看出，由于双A单元的共同作用， PDTz-BDD表现出相对PDTz-BDT稍高的表面静电势，但ESP计算结果表明二者均具有优异的给电子能力.

Fig.4　Optimized geometries and molecular frontier orbitals HOMO/LUMO for PDTz⁃BDD and PDTz⁃BDT at B3LYP/6⁃31G(d, p) level and ESP distribution for copolymers

2.3　光伏性质

图5（A）示出光伏器件的电流密度-电压（-）曲线. 基于PDTz-BDT的器件在OC为0.78 V、SC为16.32 mA/cm2和填充因子（FF）为58.60%的情况下表现出较差的PCE（7.50%）. 当PDTz-BDD与BTP-eC9混合时，实现了更高的转换效率（PCE=10.36%），其具体光伏性能参数列于表1. 基于两种给体聚合物的器件效率差别主要体现在二者SC的不同，基于PDTz-BDD的光伏器件具有明显更高的SC（22.05 mA/cm2）. 图5（B）给出相应器件的外量子效率（EQE）曲线. 基于PDTz-BDD的器件表现出300～900 nm的宽光谱响应，这与前述给/受体的互补吸收结果高度一致. 在495～850 nm的覆盖范围内， EQE值可以达到60%以上，显示出更高的电荷转移和收集效率. 而基于PDTz-BDT的器件表现出明显较低的光响应， EQE值在300～900 nm范围内均低于60%. 根据EQE曲线计算得到基于PDTz-BDD和PDTz-BBD器件的积分电流密度值（calc）分别为20.92和16.22 mA/cm2，与从-曲线获得的数值一致.

Table 1　Photovoltaic parameters of Polymer:BTP-eC9 based cells

Current density calculated from corresponding EQE spectrum.

采用测量光电流（ph）与有效电压（eff）来进一步探索基于PDTz-BDD和PDTz-BDT电池中的电荷解离动力学，相应的结果如图5（C）所示.ph被定义为L‒D，其中L和D分别是在光照和黑暗条件下的电流密度.eff定义为eff=0‒appl，其中0是ph=0时的电压，appl是施加的电压. 当eff变大时，几乎所有的光生激子都解离成自由电荷载流子并被电极收集，相应的ph达到饱和（sat）. 短路条件下的激子解离效率（diss）由ph/sat的比值决定. 基于PDTz-BDD和PDTz-BDT的器件计算得到的diss值分别为89%和86%，较高的diss值表明PDTz-BDD有更充分的激子解离.

Fig.5　J⁃V curves(A), EQE curves(B), Jph⁃Veff curves(C), light intensity dependence of JSC(D)and VOC(E), and photo⁃CELIV curves(F) of Polymer∶BTP⁃eC9 devices

为了进一步研究有机太阳能电池中的载流子迁移率，在线性增加电压的条件下进行了光诱导电荷载流子提取. 通过线性增加速度为360 V/ms的反向偏置脉冲，记录了photo-CELIV曲线［图5（F）］.基于PDTz-BDD和PDTz-BDT的器件的计算电荷迁移率分别为4.38×10‒4和2.22×10‒4cm2·V‒1·s‒1. PDTz-BDD∶BTP-eC9器件的较高迁移率可能受益于聚合物的有序堆积和更良好的相分离形态. 此外，根据photo-CELIV曲线的积分面积，基于PDTz-BDD的电池表现出更高的电荷载流子密度，这是相应器件可以取得更高SC值的原因之一.

2.4　能量损失

能量损失对OC有负面影响，从而限制PCE的进一步提高. 为了探索这两种聚合物在共混器件中表现出不同光伏性能的原因，测量了能量损失，详细信息列于表2中. 通过EQE和电致发光（EL）光谱的交点计算得到基于PDTz-BDD和PDTz-BDT器件的带隙（g）均为1.39 eV. 同时，通过拟合高灵敏的EQE（s-EQE）和EL光谱，得到PDTz-BDD∶BTP-eC9和PDTz-BDT∶BTP-eC9器件的电荷转移态能量（CT）分别为1.36和1.38 eV［图6（A）和（B）］. 此外，非辐射能量损失（Δnon-rad）可以通过方程Δnon-rad= ‒InEQEEL计算得到［式中，为玻尔兹曼常数，（K）为温度］. 根据图6（C）计算得到两个电池的Δnon-rad值分别为0.25和0.27 eV. 对于PDTz-BDD，相应的电荷转移态能量（ΔCT）和辐射能量损失（Δrad）计算值为0.03/0.33 eV，对于PDTz-BDT，计算结果分别为0.01/0.33 eV.

Table 2　Detailed energy loss of PDTz-BDD-, PDTz-BDT- based cells

Fig.6　s⁃EQE, EL curves and fitted lines of PDTz⁃BDD∶BTP⁃eC9⁃based(A) and PDTz⁃BDT∶BTP⁃eC9⁃based(B) OSCs and EQEEL curves of PDTz⁃BDD, PDTz⁃BDT pure and blend films(C)

2.5　活性层形貌和微观结构

利用原子力显微镜研究了两种器件的表面微观形貌. 由图7（A）和（B）可以看出，基于PDTz-BDD的活性层具有光滑的表面，均方根表面粗糙度（q）值为2.20 nm；而基于PDTz-BDT的膜呈现出较粗糙的表面形貌，q值为5.51 nm. 根据AFM相图［图7（C）和（D）］，在PDTz-BDD∶BTP-eC9共混膜中可以观察到典型的纤维网络相区和纳米级相分离形貌，此类形貌是获得更高SC和FF的典型形貌.

此外，利用掠入射广角X射线散射法研究了纯聚合物膜和共混膜的结晶度和分子堆积特性［42］. 图8给出纯膜和共混膜的2D图像以及相应的面内（IP）和面外（OOP）方向的1D曲线. 可以看出， PDTz-BDD纯膜在2.8， 5.6及8.2 nm-1处有明显衍射峰，分别对应于（100），（200）和（300）晶面，计算得出的层与层之间的堆积距离约为2.244 nm，表明PDTz-BDD具有明显的面内分子取向. 对于PDTz-BDT的纯膜［图8（B）］，可以观察到在16.9 nm-1处有一个较尖锐的衍射峰，表明PDTz-BDT有一个面内主导的分子取向，对应的（010）值为0.372 nm. 当两种给体与BTP-eC9混合时，在两种共混膜中都可以观察到在17.2 nm‒1处的（010）晶面取向，对应着约0.365 nm的-堆积距离，这意味着两种共混器件形成了高度有序的face-on较优分子取向和有利的-π堆积.

Fig.8　2D GIWAXS patterns of PDTz⁃BDD(A, C) and PDTz⁃BDT(B, D) and extracted 1D profiles(E) of the pure and blend films of PDTz⁃BDD and PDTz⁃DT

（A） PDTs-BDD；（B） PDTs-BDT；（C） PDTs-BDD∶BTP-eC9；（D） PDTs-BDT∶BTP-eC9.

3 结论

合成了2种新的共聚物PDTz-BDD和PDTz-BDT，这两种共聚物在共轭结构中都采用了双噻唑作为A单元， PDTz-BDT是传统的D-A型给体，而PDTz-BDD是A1-A2型给体. 与PDTz-BDT相比， PDTz-BDD具有更窄的带隙和更强的温度依赖性聚集效应，在共混薄膜形成过程中更有助于给/受体的相分离行为，有潜力获得较纯的相区以及更高的电流与填充因子. 当与BTP-eC9混合时，基于PDTz-BDT的光伏器件显示出7.50%的较低PCE；而得益于更高的光电流密度， PDTz-BDD∶BTP-eC9共混膜表现出10.36%的PCE. 本文工作展示了2种具有不同光伏性能的新型给体，对于构建A1-A2型共聚物以开发高效的聚合物给体具有指导意义.

［1］ Yu G.， Gao J.， Hummelen C.， Wudl F.， Heeger A. J.，，1995，（5243）， 1789—1791

［2］ Inganas O.，..，2018，（35）， e1800388

［3］ Yao H. F.， Hou J. H.，...，2016，（11）， 1468—1481（姚惠峰，侯剑辉. 高分子学报，2016，（11）， 1468—1481）

［4］ Yao H.， Ye L.， Zhang H.， Li S.， Zhang S.， Hou J.，..，2016，（12）， 7397—7457

［5］ Li G.， Zhu R.， Yang Y.，.，2012，（3）， 153—161

［6］ Meng L.， Zhang Y.， Wan X.， Li C.， Zhang X.， Wang Y.， Ke X.， Xiao Z.， Ding L.， Xia R.， Yip H. L.， Cao Y.， Chen Y.，，2018，（6407）， 1094—1098

［7］ Wu X. Y.， Liu L. L.， Xie Z. Q.， Ma Y. G.，..，2016，（3）， 409—425（吴小龑，刘琳琳，解增旗， 马於光. 高等学校化学学报，2016，（3）， 409—425）

［8］ Cui Y.， Xu Y.， Yao H.， Bi P.， Hong L.， Zhang J.， Zu Y.， Zhang T.， Qin J.， Ren J.， Chen Z.， He C.， Hao X.， Wei Z.， Hou J.，..，2021，（41）， e2102420

［9］ Wang F.， Zhou Q. M.， Zheng L. P.， Cao Y.，..，2005，（4）， 719—722（王飞，周清梅，郑立平，曹镛. 高等学校化学学报，2005，（4）， 719—722）

［10］ Lin Y.， Wang J.， Zhang Z. G.， Bai H.， Li Y.， Zhu D.， Zhan X.，..，2015，（7）， 1170—1174

［11］ Lin Y.， Zhao F.， Prasad S. K. K.， Chen J. D.， Cai W.， Zhang Q.， Chen K.， Wu Y.， Ma W.， Gao F.， Tang J. X.， Wang C.， You W.， Hodgkiss J. M.， Zhan X.，..，2018，（26）， e1706363

［12］ Liu D.， Wang J.， Gu C.， Li Y.， Bao X.， Yang R.，..，2018，（8）， 1705870

［13］ Liu W.， Zhang J.， Zhou Z.， Zhang D.， Zhang Y.， Xu S.， Zhu X.，..，2018，（26）， e1800403

［14］ Yuan J.， Zhang Y.， Zhou L.， Zhang G.， Yip H. L.， Lau T. K.， Lu X.， Zhu C.， Peng H.， Johnson P. A.， Leclerc M.， Cao Y.， Ulanski J.， Li Y.， Zou Y.，，2019，（4）， 1140—1151

［15］ Cheng P.， Li G.， Zhan X.， Yang Y.，.，2018，（3）， 131—142

［16］ Liu Q.， Jiang Y.， Jin K.， Qin J.， Xu J.， Li W.， Xiong J.， Liu J.， Xiao Z.， Sun K.， Yang S.， Zhang X.， Ding L.，..，2020，（4）， 272—275

［17］ Xiao Z.， Jia X.， Li D.， Wang S.， Geng X.， Liu F.， Chen J.， Yang S.， Russell T. P.， Ding L.，..，2017，（22）， 1494—1496

［18］ Fan Q.， Wang Y.，Zhang M.， Wu B.， Guo X.， Jiang Y.， Li W.， Guo B.， Ye C.， Su W.， Fang J.， Ou X.， Liu F.， Wei Z.， Sum T. C.， Russell T. P.， Li Y.，..，2018，（6）， 1704546

［19］ Xue L.， Yang Y.， Xu J.， Zhang C.， Bin H.， Zhang Z. G.， Qiu B.， Li X.， Sun C.， Gao L.， Yao J.， Chen X.， Yang Y.， Xiao M.， Li Y.，..，2017，（40）， 1703344

［20］ Bin H.， Yang Y.， Peng Z.， Ye L.， Yao J.， Zhong L.， Sun C.， Gao L.， Huang H.， Li X.， Qiu B.， Xue L.， Zhang Z. G.， Ade H.， Li Y.，..，2017，（8）， 1702324

［21］ An Y.， Liao X.， Chen L.， Yin J.， Ai Q.， Xie Q.， Huang B.， Liu F.， Jen A. K. Y.， Chen Y.，...，2018，（16）， 1706517

［22］ Huang B.， Chen L.， Jin X.， Chen D.， An Y.， Xie Q.， Tan Y.， Lei H.， Chen Y.，...，2018，（20）， 1800606

［23］ Yu T.， Xu X.， Zhang G.， Wan J.， Li Y.， Peng Q.，...，2017，（28）， 1701491

［24］ Liu D.， Yang B.， Jang B.， Xu B.， Zhang S.， He C.， Woo H. Y.， Hou J.，..，2017，（2）， 546—551

［25］ Xin Y.， Zeng G.， Zhang J.， Zhao X.， Yang X.，...，2018，（20）， 9561—9568

［26］ Guo B.， Li W.， Guo X.， Meng X.， Ma W.， Zhang M.， Li Y.，，2017，， 556—561

［27］ Sun C.， Pan F.， Bin H.， Zhang J.， Xue L.， Qiu B.， Wei Z.， Zhang Z. G.， Li Y.，..，2018，（1）， 743

［28］ Fan Q.， Su W.， Wang Y.， Guo B.， Jiang Y.， Guo X.， Liu F.， Russell T. P.， Zhang M.， Li Y.，..，2018，（5）， 531—537

［29］ Li S.， Ye L.， Zhao W.， Zhang S.， Mukherjee S.， Ade H.， Hou J.，..，2016，（42）， 9423—9429

［30］ Feng K.， Yang G.， Xu X.， Zhang G.， Yan H.， Awartani O.， Ye L.， Ade H.， Li Y.， Peng Q.，..，2018，（6）， 1602773

［31］ Liao X.， Yao Z.， Gao K.， Shi X.， Zuo L.， Zhu Z.， Chen L.， Liu F.， Chen Y.， Jen A. K. Y.，..，2018，（24），1801214

［32］ Nguyen T. L.， Choi H.， Ko S. J.， Uddin M. A.， Walker B.， Yum S.， Jeong J. E.， Yun M. H.， Shin T. J.， Hwang S.， Kim J. Y.， Woo H. Y.，..，2014，（9）， 3040—3051

［33］ Zhang S.， Qin Y.， Zhu J.， Hou J.，..，2018，（20）， e1800868

［34］ Yu J.， Chen P.， Koh C. W.， Wang H.， Yang K.， Zhou X.， Liu B.， Liao Q.， Chen J.， Sun H.， Woo H. Y.， Zhang S.， Guo X.，..，2019，（2）， 1801743

［35］ Zhang M.， Guo X.， Li Y.，..，2011，（4）， 557—560

［36］ Zhang M.， Guo X.， Wang X.， Wang H.， Li Y.，..，2011，（18）， 4264—4270

［37］ Guo X.， Zhang M.， Huo L.， Cui C.， Wu Y.， Hou J.， Li Y.，，2012，（17）， 6930—6937

［38］ Zhang M.， Fan H.， Guo X.， He Y.， Zhang Z. G.， Min J.， Zhang J.， Zhao G.， Zhan X.， Li Y.，，2010，（21）， 8714—8717

［39］ Zhang M.， Guo X.， Li Y.，，2011，（22）， 8798—8804

［40］ Zhang M.， Sun Y.， Guo X.， Cui C.， He Y.， Li Y.，，2011，（19）， 7625—7631

［41］ Leong W. L.， Cowan S. R.， Heeger A. J.，..，2011，（4）， 517—522

［42］ Brocorens P.， van Vooren A.， Chabinyc M. L.， Toney M. F.， Shkunov M.， Heeney M.， McCulloch I.， Cornil J.， Lazzaroni R.，..，2009，（10/11）， 1193—1198

Efficient Organic Solar Cells Based on Acceptor1-acceptor2Type Polymer Donor

LIHao1，2， YANGChenyi1，2， LIJiayao2， ZHANGShaoqing1，2*， HOUJianhui1，2*

（，，100083，；，，，100190，）

In this work， we designed and synthesized two wide band-gap polymer donors： poly｛1，3-bis（2-ethylhexyl）-5-［5-（5'-methyl-4，4'-diundecyl-［2，2'-bithiazol］-5-yl）thiophen-2-yl］-7-（5-methylthiophen-2-yl）-4，8-benzo［1，2-c：4，5-c'］dithiophene-4，8-dione｝（PDTz-BDD） and poly（5-｛4，8-bis［5-（2-ethylhexyl）thiophen-2-yl］-6-methylbenzo［1，2-b：4，5-b'］dithiophen-2-yl｝-5'-methyl-4，4'-diundecyl-2，2'-bithiazole）（PDTz-BDT）. PDTz-BDT is a typical donor-acceptor（D-A） type copolymer， whereas PDTz-BDD is an acceptor1-acceptor2（A1-A2） type polymer. The photovoltaic properties of the two polymers were investigated by blending BTP-eC9 as the acceptor to construct organic solar cells， respectively. PDTz-BDD-based device achieves a higher power conversion efficiency of 10.36% due to its stronger light absorption ability， more obvious aggregation effect in solution and better morphological property of the blend film. This work not only demonstrates two novel donors， but also provides meaningful guidance for constructing A1-A2type copolymers to develop efficient polymer donors in the future.

Polymer donor； Organic solar cell； Photovoltaic property； A1-A2type structure

O649

A

10.7503/cjcu20230157

2023-04-01

网络首发日期： 2023-07-06.

联系人简介：张少青, 女, 博士, 副教授, 主要从事有机光伏材料的设计与合成以及光伏器件方面的研究. E-mail: shaoqingz@ustb.edu.cn

侯剑辉, 男, 博士, 教授, 主要从事有机光伏材料的设计合成与器件方面的研究. E-mail: hjhzlz@iccas.ac.cn

国家自然科学基金(批准号: 22075017)资助.

Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.22075017).

（Ed.： W， K， M）