在光能轉化為電能方面,全高分子太陽能電池采用p型高分子半導體(給體)和n型高分子半導體(受體)的共混物作為活性層,與傳統的無機太陽能電池相比,具有柔性、成本低、重量輕的突出優點,已成為太陽能電池研究的重要方向之一。但是,n型高分子半導體的種類和數量遠遠少于p型高分子半導體,因此開發n型高分子半導體材料是發展全高分子太陽能電池的核心。
中國科學院長春應用化學研究所劉俊課題組提出采用硼氮配位鍵(B←N)降低共軛高分子的LUMO/HOMO能級,發展n型高分子半導體的策略,并發展出兩類含硼氮配位鍵的n型高分子半導體受體材料,其全高分子太陽能電池器件效率與經典的酰亞胺類n型高分子半導體相近。
該課題組首先闡明了硼氮配位鍵降低共軛高分子LUMO/HOMO能級的基本原理,首次將硼氮配位鍵引入到n型高分子半導體的分子設計中。進而提出了兩種用硼氮配位鍵設計n型高分子半導體受體材料的分子設計方法:一是在共軛高分子的重復單元中,用一個硼氮配位鍵取代碳碳共價鍵,使共軛高分子的LUMO/HOMO能級同時降低0.5–0.6eV,將常見的p型高分子半導體給體材料轉變為n型高分子半導體受體材料;二是先設計基于硼氮配位鍵的新型缺電子單元-雙硼氮橋聯聯吡啶,再用于構建n型高分子半導體受體材料。
研究表明,硼氮配位鍵n型高分子半導體具有LUMO軌道離域、LUMO能級可調的特點?;谠摢毺氐碾娮咏Y構,在得到全高分子太陽電池器件效率6%的同時,實現了光子能量損失0.51 eV,突破了傳統有機太陽能電池光子能量損失最小值0.6eV的極限,也是已知文獻報道的最低值。
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