香港科技大学于涵、颜河《EES》：烷氧基取代聚合物受体有效降低全聚合物太阳能电池能量损失，实现高效室外/室内光伏多功能应用

相比于无机半导体，有机半导体材料最大的优势就在于可以通过合理的化学修饰来调节分子内的电荷转移(intramolecular charge transfer, ICT)效应，从而调节分子的本征光谱吸收以及堆积性质。鉴于目前最为主流的Y-系列小分子受体，我们在之前的工作中已经成功开发出β-噻吩烷氧基取代策略，削弱ICT效应从而将光谱吸收峰蓝移至750 nm左右(Adv. Energy Mater., 2021, 11, 2003141; Adv. Mater. 2024, 2405404)，与室内LED灯的发射光谱高度重叠，满足室内光伏器件要求。与此同时，香港科技大学于涵、颜河研究团队在全聚合物太阳能电池近些年积累了丰厚的分子设计与器件性能的研究成果（端基氟化策略：Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2003171; Angew. Chem. 2021, 133, 10225-10234; Joule, 2021, 5, 1548-1565; Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2100791; Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2300712; Adv. Funct. Mater., 2024, 34, 2400131;乙烯基-刚性构象策略：Adv. Mater. 2022, 34, 2200361; Adv. Sci., 2022, 9, 220222; Adv. Energy Mater., 2022, 12, 2202729; Nat. Commun., 2023, 14, 2323）。基于以上研究基础，协同的分子设计策略有望实现高效、稳定的全聚合物光伏器件用于室外、室内多功能应用。

近期，香港科技大学颜河、于涵课题组合成并系统研究了一种烷氧基取代的聚合物受体（PYO-V），其噻吩分子上有一个传统的 Y 系列中心核。研究发现，相比于经典的PY-V-γ，烷氧基取代的PYO-V具有蓝移的光谱吸收和上移的LUMO能级，这得益于PYO-V较弱的ICT效应。当在 PM6:PY-V-γ 主体系中引入PYO-V 可实现互补的吸收光谱，并有效控制能量损失。因此，PM6:PY-V-γ:PYO-V 三元全聚合物太阳能电池(all-PSCs)器件的效率达到了18.5%（全聚合物太阳能电池最高效率之一），V_OC为0.932 V，J_SC 为25.9 mA cm^-2，远高于基于PM6:PY-V-γ的器件（17.3%）。除了室外光伏技术，PYO-V 在室内光伏技术中也表现出其多功能应用的一面，其二元器件的效率达到24%，也是全聚合物室内光伏的最高效率之一。这项工作表明，烷氧基取代是调整聚合物受体光电特性和实现高效全聚合物太阳能电池应用的有效策略。

图1. 本文涉及的聚合物受体结构、紫外可见吸收光谱、电化学能级。

如图1所示，PY-V-γ 和PYO-V 的光学带隙分别为1.31 和1.47 eV。与二元共混物相比，在三元体系中添加20%wt的PYO-V可增强吸收，促进光子收集和光电流生成。以上结果揭示了烷氧基对PYO-V光电特性的影响，并证明了PYO-V作为三元体系中的客体组分可以实现光谱互补、抑制有机光伏器件的能量损失。

图2. （a）光伏特性曲线，（b）外量子效率曲线，（c）暗电流拟合理想因子（d）时间分辨光致发光测试（TR-PL）,（e）瞬态光电流(TPC)和（f）瞬态光电压(TPV)测试。

为了评估两种新型聚合物受体对光伏性能的影响，作者选择经典的聚合物PM6作为给体来进行器件优化。初步结果表明，虽然基于PYO-V的二元器件表现出较弱的光伏性能，但当其作为第三组分引入到主体PM6:PY-V-γ中时，三元全聚合物体系表现出更快的激子解离效率、载流子扫除效率与被抑制的电荷复合速率。因此，三元体系实现了明显提升的光伏转换效率18.5%.

图3. 结晶性与相分离表征结果（GIWAXS and RSoXS）。

由于烷氧侧链的引入使得分子的构象得以锁定，分子链结晶性增强。GIWAXS测量表明，添加PYO-V改善了PY-V-γ 的分子堆积。因此，三元混合薄膜具有更好的电荷传输和器件性能。RSoXS测量结果表明，混合薄膜具有不同的相纯度和长度尺度相分离。添加20%的PYO-V可增强受体部分相区纯度，保持三元器件的形貌并促进电荷的传输与收集。

图4 瞬态吸收光谱表征。

随后，作者利用瞬态吸收光谱研究了原始薄膜和混合薄膜的激子动力学。与PY-V-γ和PY-V-γ:PYO-V相比，PYO-V的激子衰减时间较慢。与二元共混物相比，三元共混物具有更快的空穴转移速率和较慢的衰减速率，从而实现更好的 J_SC和FF。这种改善归功于添加PYO-V后优化的供体-受体界面形态。

图5 电压损耗测试

为了量化使用PYO-V 受体的有机太阳能电池器件中的能量损耗，我们进行了实验研究。结果表明，与PM6:PY-V-γ 和PM6:PYO-V 相比，PM6:PY-V-γ 混合物具有更低的非辐射复合和电压损耗。三元器件的E_loss（0.499 eV）是目前all-PSC中最小值，甚至超过了某些基于小分子受体的高性能器件。

图6 光稳定性测试及室内应用

最后，利用最大功率点跟踪（MPPT）技术评估了全聚合物太阳能电池（PSCs）的运行稳定性。70小时后，二元器件的PCE下降到初始PCE的80%，170小时左右又下降到60%。相比之下，三元器件在170小时后仍能保持约70%的初始 PCE。在 PM6:PY-V-γ 系统中引入PYO-V提高了器件的光热稳定性。我们还使用不同的LED光源研究PYO-V的室内光伏性能，其中2600K是最佳条件，因为它的发射光谱与PYO-V非常匹配。在2600K LED灯的2000 lux光强下，PM6:PYO-V的PCE达到了24.0%，这也是迄今为止报告的室内全聚合物室内光伏的最高性能之一。

小结：通过在Y系列聚合物受体外层噻吩单元的β位置加入烷氧基侧链，成功地构建了一种高性能聚合物受体PYO-V。烷氧基侧链官能化导致紫外可见吸收蓝移和能级上移。这种改变使主双元体系能够实现互补吸收并有效控制能量损失。由此产生的PM6:PY-V-γ:PYO-V三元全聚合物太阳能电池的效率显著提高，达到 18.5%, V_OC高达0.932 V，远高于基于PM6:PY-V-γ的太阳能电池的17.3%。三元器件性能的提高得益于互补光收集光谱的协同效应、激子解离效率提高、电荷重组的抑制以及能量损耗的降低。此外，PYO-V 还展示了其在室内光伏领域的潜力，在二元器件中实现了24%的效率。这些结果凸显了烷氧基取代作为微调聚合物受体光电特性的一种可行策略的有效性，从而为多功能光伏应用带来了高效的全聚合物太阳能电池。

本文的第一作者是香港科技大学科研助理教授于涵博士，共同第一作者为香港科技大学博士研究生赵超越。本文的通讯作者为东华大学胡华伟教授, 深圳技术大学张光烨副教授和香港科技大学颜河教授。

原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ee/d4ee01804d

通讯作者简介：

于涵博士简介：

2017年本科毕业于北京大学化学与分子工程学院（导师：赵达慧教授），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，2021-2024年于香港科技大学继续博士后研究，2024起担任香港科技大学化学系科研助理教授。于涵博士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。于涵博士共发表SCI学术论文61篇，其中以第一作者/共同第一作者/通讯作者发表在《Nature Review Materials》、《Nature Communications》、《Joule》、《Energy & Environmental Science》、《Advanced Materials》、《Angewandte Chemie》、《Advanced Energy Materials》、《Advanced Functional Materials》等期刊的29篇论文，引用次数超过3100次，H因子: 30。目前仍主要从事光伏材料的设计开发，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。

胡华伟简介：

东华大学材料科学与工程学院 纤维材料改性国家重点实验室 研究员、博士生导师。2017年在香港科技大学取得博士学位，2017年-2021年先后在美国北卡罗来纳州立大学和芝加哥大学从事博士后研究。2021年加入东华大学材料学院，主要从事有机光伏以及柔性本征可拉伸电子器件的研究，迄今在Nat. Mater., Nat. Electron., J. Am. Chem. Soc., Acc. Chem. Res., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy. Mater., Energy Environ. Sci. 等国际权威期刊发表论文70余篇, 其中ESI高被引13篇，文章总引用9000余次。

张光烨简介：

张光烨，博士，副教授，深圳市海外高层次人才（B类），深圳技术大学首届青年润园PI，连续3届入选全球前2%顶尖科学家榜单（World’s Top 2% Scientists），连续2届全球“高被引科学家”（科睿唯安（Highly Cited Researchers））。2009年本科毕业于中国科学技术大学材料物理专业，随后在美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）攻读博士学位，2015年博士毕业于UCLA化学系。2016年起在香港科技大学进行博士后研究，2017年担任香港科技大学深圳研究院研究助理教授。2018年作为共同创始人创办了有机光伏公司以推动有机光伏的产业化进程。2020年加入深圳技术大学。主要研究兴趣是有机半导体材料、器件及物理，在有机光伏领域有十余年的研发或产业化经验。累计发表SCI论文87篇（近5年62篇），引用近万次，h指数47，i10指数66，其中第一作者（含共同一作）或通讯作者34篇，包括Nature Reviews Materials, Chemical Reviews, Joule, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials等，出版第一作者英文著作一部（Springer Nature）。

颜河教授简介：

颜河教授于2000年本科毕业于北京大学化学系；2004年在美国西北大学获得博士学位，师从美国总统奖获得者Tobin Marks教授。2006-2011年带领polyera公司的研究小组研发柔性显示器和太阳能电池材料。2012年至今就职于香港科技大学化学系，并于2023年成为香港科技大学讲席教授。颜河教授在有机及钙钛矿太阳能电池领域做出了杰出的贡献，发表论文370余篇，被引用超48000次，H因子105，并于2020年获得了腾讯“科学探索奖”，同年担任香港的RGC研究员，并连续6年获得“高被引科学家”的称号，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。

颜河教授建立了以香港为中心的国际跨学科研究平台，同时还具有丰富的产业化经验，是中国新型光伏技术产业化的引领者，并于2018年创立了深圳易柔光伏有限公司，提出了有机光伏产业化新路线，并带领公司多次获得创业大赛奖项。2019年，公司荣获第十一届中国深圳创新创业大赛新能源及节能环保产业组决赛一等奖。同年，公司从全国7个区域比赛的1279个项目中脱颖而出，在香港科技大学与越秀集团联合举办的“百万创业大赛”中获得冠军。