非富勒烯受体的兴起和流行，使得处于发展“瓶颈期”的有机太阳能电池领域出现了转机，光电转换效率也随之向前又迈了一步。相较于富勒烯受体材料，非富勒烯受体材料的确具有很大优势，比如可以拓宽吸收、能级可调等等。但是研究者又发现了新问题：不少非富勒烯受体材料已经问世，不过给体材料特别是聚合物给体材料多是基于PCBM体系而制备，其中不少与现有的非富勒烯体系并“不搭”。所以
研究者
又开始研究能够与非富勒烯体系相匹配的聚合物给体材料。
聚合物主链的取代基可以影响到富勒烯体系有机太阳能电池的器件性能，尤其是极化基团（例如氟原子）的存在或缺失能够对富勒烯体系的聚合物给体或小分子给体产生巨大影响。由此推及非富勒烯体系，这种“取代基效应”可能也一样存在。近日，
阿卜杜拉国王科技大学
（KAUST）的
Pierre M. Beaujuge
博士等人比较了一系列宽带隙聚合物给体材料——包含苯并[1,2-
b
:4,5-
b
'
]二噻吩（BDT）、噻吩（[2H]T）或者3,4-二氟噻吩（[2F]T）结构单元——与非富勒烯受体ITIC匹配的体异质结（BHJ）有机太阳能电池器件的性能差异（结构见图1）。
作者发现F原子取代的聚合物PBDT(T)[2F]T与ITIC匹配可以达到高达9.8%的光电转换效率，性能远远优于PBDT[2H]T和PBDT[2F]T
。作者发现当聚合物给体PBDT(T)[2F]T的效率提高归因于两个方面：（1）电荷产生与收集的明显改善；（2）降低了横穿体异质结薄膜的孪生与双分子复合。
图1. 聚合物给体的化学结构及受体结构。图片来源：
Adv. Energy Mater.
由于像ITIC这样的非富勒烯受体材料以及相似衍生物带隙通常较窄，宽带隙聚合物由于与ITIC的光谱匹配，逻辑上可以取得不错效果。对于非富勒烯受体，研究主链的侧链取代基对于体异质结形貌及器件性能的影响可能是优化聚合物给体结构的关键步骤。如图2a所示，所有聚合物在可见光区域的400-600 nm的吸收都不错，而ITIC的吸收在500-780 nm，可见这些聚合物给体与ITIC的吸收非常互补。
图2. （a）PBDT[2H]T、PBDT[2F]T、PBDT(T)[2F]T聚合物给体与ITIC分别在纯膜上的吸收；（b） 各个分子的电势能以及光学带隙。图片来源：
Adv. Energy Mater.
研究者利用不同的聚合物给体与ITIC受体制备了体异质结有机太阳能电池倒装器件。如表1及图3a所示，不同组合的器件效率差异较大，PBDT[2H]T器件的效率最低，PBDT[2F]T器件的效率有明显提高，效率最高的是PBDT(T)[2F]T器件。也就是说，两个F原子取代的聚合物给体效率高于没有F原子取代的聚合物给体，而且二维共轭且含有两个F原子取代的聚合物给体效率更胜一筹。PBDT(T)[2F]T给体与ITIC匹配时器件效率最高，可以达到9.8%，而PBDT(T)[2F]T与富勒烯受体PC
71
BM匹配时的器件效率却只有6.5%。
表1. 不同条件下的电池器件光伏参数表。图片来源：
Adv. Energy Mater.
图3. （a）最优器件的电流-电压曲线；（b）外量子效率曲线。图片来源：
Adv. Energy Mater.
——总结——
Pierre M. Beaujuge博士等人通过确定聚合物给体共轭主链并改变主链上的取代基来研究“取代基效应”对非富勒烯受体ITIC太阳能电池的影响。尤其，作者发现氟取代的聚合物优于没有氟取代的聚合物，而且二维共轭更会大幅度提高效率。综合表征表明其效率的提高来自于更有效的电荷产生以及收集，以及孪生复合与双分子复合的降低。
非富勒烯太阳能电池近两三年发展迅速，而且也出现了一系列高效体系。本文的研究非常详细，但是笔者窃以为研究思路还是照搬了之前的富勒烯体系研究，新意有限。这种方案进行特例研究，得出的结论换了一个体系后很可能并不适用。有机太阳能电池领域内的科研工作应该更侧重实用化，多关注电池的稳定性以及制备新工艺等等，早日达到推广应用的目标。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Polymer Main-Chain Substitution Effects on the Efficiency of Nonfullerene BHJ Solar Cells
Adv. Energy Mater
.,
2017
, DOI: 10.1002/aenm.201700834
