有机太阳能电池（OSC）因具有成本低、重量轻、灵活性高等独特优势，近年来迅速成为研究热点。由于一系列新型非富勒烯受体和聚合物给体相继被开发出来，OSC的光电转换效率（PCE）现已超过18%。绝大多数OSC聚合物给体是光学带隙（Eg）大于1.7 eV的给体-受体（D-A）交替的共轭聚合物。由于苯丙二噻吩（BDT）结构单元具有高度对称共面骨架和结构可调性，为了与非富勒烯受体合适匹配，卤素原子尤其是F通常被引入基于BDT的聚合物之中。然而，这类聚合物的合成步骤却较为繁琐。

在开发OSC领域的材料时，将与碳碳双键（C=C）等电子的硼氮共价键（B-N）引入π体系可以作为一种新的分子设计策略。由于B-N的硼原子采用sp2杂化，所形成的共轭骨架有利于分子间电荷传输。在OSC中，单重态（S1）和三重态（T1）之间的小能隙（ΔEST）有助于抑制从电荷转移态到三重态的复合。然而，含有B-N的材料却很少用于OSC之中。

图1:BNT和PBNT-BDD等分子结构示意图

基于以上的考虑，近日，华南理工大学段春晖教授课题组首次报道了一种新型含有B-N的结构单元BNT和基于BNT的聚合物给体PBNT-BDD。BNT的合成比较简单，仅需要三步反应，而且总收率也比较高。而PBNT-BDD与常见的聚合物给体PM6和D18相比也有显著降低的合成难度，其数均分子量（Mn）为59 kDa，摩尔质量分散度（ĐM）为1.9，且易溶于常见有机溶剂，如氯仿和氯苯和1,2-二氯苯等。热重分析（TGA）表明，PBNT-BDD热稳定性较好，分解温度约为400℃。此外，差示扫描量热分析（DSC）显示该聚合物给体并未表现出熔融或结晶转变，说明其结晶度较弱。

图2:基于PBNT-BDD:Y6-BO和PM:Y6-BO的OSC器件光伏性能测试

研究人员随后将PBNT-BDD与非富勒烯受体Y6-BO共混制备了相应的OSC器件，并考察了具体的光电性能。结果显示，基于PBNT-BDD:Y6-BO的OSC器件获得了高达16.1 %的PCE以及0.88 V的开路电压（VOC）、25.4 mA cm-2的短路电流密度（JSC）以及0.72的填充因子（FF）。这些结果与基于PM6:Y6-BO的器件相比，表现出非常相似的结果，虽然FF较低，但VOC却高出0.05 V。更重要的是，PBNT-BDD具有高的三重态能级和较小的ΔEST，这将有效地减少从电荷转移态到三重态的复合能量损失（Eloss）。因此，基于PBNT-BDD器件的能量损失（Eloss）为0.45 eV，远小于基于PM6的器件（0.50 eV）。

图2:基于PBNT-BDD:Y6-BO和PM:Y6-BO的OSC器件形貌表征

综上，该工作不仅设计和合成了一种新型含B-N的结构单元BNT和聚合物给体PBNT-BDD用于高性能OSC，极大地促进了硼化学的发展，同时也为后续的相应材料分子设计提供了新思路。相关研究成果现已发表在国际顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》上，题为“A Facile Synthesized Polymer Featuring B-N Covalent Bond and Small Singlet‐Triplet Gap for High-Performance Organic Solar Cells”。

文献地址：

https://doi.org/10.1002/anie.202016265

文中所涉及材料：

PM6：1802013-83-7

Y6-BO：2389125-23-7

BDD26-2Br：1415929-76-8

BDD26-2Th：1415929-77-9