基于二氰基二苯乙烯-萘并酰亚胺的N-型共轭聚合物在全聚合物太阳电池中的应用

全聚合物太阳电池（all-PSCs）的吸光层是由聚合物给体与聚合物受体组合而成，由于两组分具有很好的相容性，同时展现出良好的机械延展性，热稳定性和形貌稳定性。使其在柔性，可穿戴以及便携式产电设备中展现了巨大的潜在应用价值。萘并酰亚胺（NDI）是N-型聚合物中一个重要的构筑单元，因为其具有两个酰亚胺缺电基团而展现强的电负性，高的电子迁移率以及在近红外具有较强的吸收。因此，开发新颖的基于NDI单元同时具有合适能级和宽的吸收光谱的聚合物受体材料，为进一步提升all-PSCs的器件效率提供了一种可能。但是，由于NDI单元具有很强的电负性，使得LUMO的电子云主要集中在NDI单元上，如果在与NDI单元共聚的给体单元上引入强的拉电基团，比如-CN，就可能使得LUMO的电子云在整个分子链有一定程度的离域，相邻的分子链就会产生比较强的轨道重叠，从而有利于增强分子间的相互作用力和电荷的传输。

近期，黄飞教授课题组设计和合成了基于含-CN官能团的二氰基二苯乙烯作为给体单元，NDI上含两种不同支化烷基链（-C8C12和-C10C14）作为受体单元的两种聚合物受体材料，PDCB-NDI812和PDCB-NDI1014。系统的研究了NDI单元上不同支化烷基链对电荷传输性能，共混膜形貌以及全聚合物太阳电池器件性能的影响。采用中宽带隙的聚合物（PBDB-T）作为给体材料制备全聚合物太阳电池，研究表明基于PDCB-NDI812的器件载流子迁移率（空穴迁移率为3.37×10⁻⁴ cm²∙V⁻¹∙s⁻¹和电子迁移率为2.35×10⁻⁴ cm²∙V⁻¹∙s⁻¹）高于基于PDCB-NDI1014的器件（空穴迁移率为2.65×10⁻⁴cm²∙V⁻¹∙s⁻¹和电子迁移率为5.79×10⁻⁵ cm²∙V⁻¹∙s⁻¹）。同时，基于PDCB-NDI812的共混膜具有更弱的双分子复合性能，所以其器件性能展现出更大的短路电流和填充因子。此外，从TEM图看，基于PDCB-NDI812的共混膜比基于PDCB-NDI1014的共混膜具有更优的相分离尺寸，从而更加有利于激子的解离和电荷的传输。终其原因，基于PDCB-NDI812的器件（PCE=4.26%）展现出比基于PDCB-NDI1014的器件(PCE=3.43%)更优的光电转换效率。相关研究成果发表在Chinese Journal of Chemistry [Chin. J. Chem. 2018, 36, 406-410]。