香港科技大学颜河、南京大学陈尚尚Nat. Commun.：富勒烯客体聚合物提升光伏器件稳定性，全聚合物太阳能电池效率突破18%！

【导读】

有机太阳能电池由于其轻薄、透明、柔性、易加工等特点，近年来得到科研群体的广泛关注。目前基于聚合物给体和小分子受体的太阳能电池已经突破19%的能量转化效率, 接近实现商业化的标准。富勒烯受体通常具有优异的电子传输性能，可以作为三元有机太阳能电池的客体组分，以提高电荷的提取和光伏效率。然而，传统的富勒烯小分子通常会出现不理想的相分离和二聚化，使得器件效率与稳定性降低，从而限制了它们在有机太阳能电池中的应用。

【成果掠影】

近期，香港科技大学颜河与南京大学陈尚尚课题组报道了一种聚富勒烯受体(PFBO-C12)，将其作为客体组分引入到全聚合物体系，可以将二元器件的光伏效率从16.9%显著提高到三元器件的18.0%。超快光谱和光电物理研究揭示PFBO-C12可以促进空穴转移和抑制电荷复合。形貌研究表明，三元共混物具有较高的结晶度和较小的相分离尺寸。同时，PFBO-C12的引入降低了电压损失，使全聚合物太阳能电池在柔性设备中具有优异的光稳定性和机械耐久性。这项工作表明，引入聚富勒烯作为客体组分，是实现高效、稳定的全聚合物太阳能电池的有效途径。

【图文导读】

首先，作者通过已报道的ATRP聚合方法得到通过对二甲苯链接的聚富勒烯材料，PFBO-C12。此方法相较传统PCBM的合成方法，省去了复杂的柱色谱分离纯化，仅需要进行索氏提取纯化，大大提升了富勒烯的利用率、降低了合成成本。电化学测试（CV，图1b）表明其电化学能级与PCBM相当。紫外可见光谱（UV-Vis,图1c）表明PFBO-C12同PCBM一样可以与聚合物给体（PM6）/聚合物受体（PY-V-γ）形成互补的光谱吸收。与此同时，共混膜吸收光谱表明，PCBM与PFBO-C12的加入都可以促进受体部分的吸收强度增强(图1d)，而基于PFBO-C12的三元共混薄膜在300-500 nm波长范围内表现出稍强的响应，这将有利于光子收集与光电流产生。

图1. 本文涉及的分子结构，电化学能级图，紫外可见光谱（纯相c，混合相d）

因此，基于PM6: PY-V-γ:PFBO-C12的光伏器件实现了18.0%的能量转化效率，这也是目前报道的最高全聚合物太阳能电池效率之一（图2a-c）。聚富勒烯的引入能够有效的抑制电荷复合以及增强光伏器件的载流子迁移率（图2d-e）。相较于二元全聚合物体系，升高的短路电流（J_SC）得益于上述提升的光谱性质，而显著提升的填充因子（FF）则主要得益于更为优化的形貌特征。结晶性与相分离的形貌实验中也表现出了与光伏性能一致的趋势：基于PFBO-C12的共混膜表现出增强的面外衍射强度（图3b）与抑制的相分离尺寸（图3d）。

图2. 光伏器件效率表征结果；电荷收集与复合，载流子迁移率结果

图3. 结晶性与相分离表征结果（GIWAXS & GISAXS）

此外，基于上述实验，作者又对三组材料体系进行了系统的光物理实验表征（图4），瞬态吸收实验观察到与上述实验一致的电荷转移结果：在三元体系中，PCBM和PFBO-C12都可以促进激子的扩散与分离；而无论是长波还是短波激发，基于PFBO-C12的三元体系皆表现出最快的空穴转移与电子转移时间。

图4. 瞬态吸收实验结果

最后，作者对器件的稳定性方面又进行了表征。结果表明，同时，PFBO-C12的引，使全聚合物太阳能电池在柔性设备中具有优异的光稳定性和机械耐久性。在器件的弯折实验中，表现出足够好的柔韧性。

图5. 器件光稳定性和机械稳定性表征

【小结】

作者团队开发了聚富勒烯受体(PFBO-C12)作为客体组分，并应用于全聚合物太阳能电池中，使其光伏转化过程得到有效促进，能量效率得到有效提升（18.0%）。与此同时，聚富勒烯客体聚合物也使全聚合物太阳能电池的光稳定性和机械耐久性得到了有效提升。这项工作表明，引入聚富勒烯作为客体组分，是实现高效、稳定的三元全聚合物太阳能电池的有效途径。

本文的第一作者是香港科技大学的于涵博士，共同一作为香港城市大学博士生王焱，香港科技大学邹欣卉博士。特别感谢香港科技大学黄锦胜教授在光物理表征方面的指导，感谢香港城市大学朱宗龙教授在柔性器件表征方面的指导。

研究以“Improved photovoltaic performance and robustness of all-polymer solar cells enabled by a polyfullerene guest acceptor”为题发表在国际顶级期刊《Nature Communications》杂志（DOI: 10.1038/s41467-023-37738-9）。

本文由作者供稿

【作者简介】

于涵，博士2017年本科毕业于北京大学化学与分子工程学院，随后进入香港科技大学化学系攻读研究生，于2021年获得博士学位（导师：颜河教授）。毕业后获得香港特别行政区创新科技署-创新科技基金博士后资助项目，于香港科技大学继续博士后研究至今。博士期间主要从事新型聚合物光伏受体材料的设计与合成工作，着眼于探索新型聚合物光伏受体之间的构效关系，在基于全聚合物太阳能电池的效率与稳定性方面取得了重要的创新性研究成果，并数次创造全聚合物太阳能电池的效率纪录。发表SCI学术论文44篇，包括以第一作者/共同第一作者/通讯作者发表在《Nature Communications》、《Advanced Materials》、《Angewandte Chemie》、《Joule》、《Advanced Energy Materials》、《Advanced Functional Materials》等期刊的19篇论文，引用超过2000次，h-因子: 25。目前仍主要从事聚合物受体材料的设计开发，用于高效率、高稳定性、同时易于大规模加工的柔性有机太阳能电池器件应用。

颜河，香港科技大学终身教授，能源研究院副院长，在有机电子材料领域有多年研究经验，曾创办著名的Polyera公司。2009年，颜河教授课题组在《自然》杂志上发表了一个高迁移率的n型有机半导体高分子材料。此材料被誉为开启了“新晶体管时代”并登上了《自然》的封面。回到香港科大后，颜河教授从事有机太阳能领域的研究，在过去几年中多次打破有机太阳能电池的世界纪录。颜河教授的研究成果在2015年被美国国家可再生能源实验室收录进著名的“best research-cell efficiency chart”世界纪录表。香港科技大学也成为40年来中国第一个有幸录入“best research-cell efficiency chart”的高校。颜河教授共发表论文超过370篇，最近几年一共18次在顶级期刊（Science、Nature及Nature系列期刊）发表论文。2014年的Nature Communications和2016年的Nature Energy两篇论文被引用超过3300和3100次，均是该期刊2014年来引用最高的论文。颜河教授是2020年腾讯科学探索奖的50位获奖人之一，其近年来连续入选Web of Science的高倍引学者，入选香港首届RGC Research Fellow。颜河教授已经建立起一个以香港为中心的高度学科交叉的国际性科研合作平台。

陈尚尚，南京大学化学化工学院教授，博士生导师，课题组组长，国家级青年人才计划入选者。2014年获南京大学学士学位，2018年获香港科技大学博士学位（导师：颜河教授），2018至2021年在美国北卡罗莱纳大学教堂山分校从事博士后研究（导师：黄劲松教授），2022年加入南京大学化学化工学院高分子化学与物理系，任tenure-track PI。以第一/通讯作者在核心期刊发表SCI论文40余篇，包括Science，Nature Energy，Nature Sustainability，Nature Communications，Science Advances，Joule，JACS，Angew. Chem.，Advanced Materials等，引用6500余次，担任Nature，Nature Sustainability，Angew.Chem.等期刊的独立审稿人，以及Exploration和Nano Research Energy的青年编委。