Nature子刊：新的给体聚合物使非富勒烯聚合物太阳能电池的效率达到10.9%

【研究背景】

有机太阳能电池（OSC），由于可以通过绿色的、低成本的印刷技术制备大面积的柔性薄膜电池组件，具有巨大的发展潜力。活性层是有机太阳能电池的核心部分，其作用为吸收光能并转化为自由电荷。典型的有机太阳能电池的活性层，由能级相互匹配的电子给体与电子受体两部分组成，活性层吸收太阳光后，在给体与受体的界面转化为正电荷和电子，正电荷经由给体传输到阳极，而电子经由受体传输到阴极，向外电路供电。给体与受体的分子结构对活性层的形貌（活性层形貌的重要性在于决定了光生自由电荷的产生和迁移效率），从而对电池的性能具有重要的影响。过去二十多年来，OSC的受体材料基本上固定为富勒烯衍生物（最常用为PC₆₀BM和PC₇₁BM），因为其各向同性的球形结构，电负性和电子迁移率非常高。围绕富勒烯衍生物受体材料，设计了各种性能优异的给体材料，使聚合物给体-富勒烯受体这种组合模式的OSC的光电转化效率（PCEs）超过了10%。但是这种组合模式的致命缺陷在于富勒烯受体几乎不吸收光，致使OSC不能完全覆盖整个可见光-近红外光区，进一步提高OSC的PCEs非常困难。

为了拓宽OSC的光吸收范围，最近出现了一些性能优异的、与聚合物给体材料光吸收互补的非富勒烯受体材料。这为OSC的PCEs的进一步提高提供了更大的可能性。至此，一个重要的问题来了。适用于富勒烯受体的聚合物给体的结构设计方法是否同样适用于非富勒烯受体，如何设计与非富勒烯受体兼容的给体聚合物呢？

【成果简介】

香港科技大学化学系颜河教授（通讯作者）的研究团队对上述问题进行了探索。继2014年推出了一系列的与富勒烯受体兼容的、具有温度依赖性聚集特性（TDA）的高效聚合物给体后，又在最近设计了一种新的、在结构上与非富勒烯小分子受体兼容的TDA型高效聚合物给体材料PTFB-O，使并没有经过任何优化的非富勒烯OSC实现了高达10.9%的光电转化效率。

他们巧妙地设计了两个氟原子在苯环上分别邻位和对位取代的给体聚合物PTFB-O和 PTFB-P同分异构体，并与其它的类似聚合物的结构和性能对比，表明了与富勒烯受体兼容的聚合物给体，不一定与非富勒烯受体兼容。在此基础上，得出了新的给体聚合物设计的一个重要指导方法：由于非富勒烯受体的电子迁移率通常低于富勒烯受体，分子设计使给体聚合物的结晶更小、与受体更好地共混显得尤为重要。

【图文简介】

图1. 给体与受体材料的分子结构

其中，(a)为给体，(b)为受体;

(c)(d)分别为给体PTFB-O与PTFB-P的结构图 (PTFB-O分子为镜像对称结构,PTFB-P分子为C2对称结构).

表1. PTFB-O和PTFB-P聚合物给体分别与PC₇₁BM和ITIC受体组合的光伏性能

图2. 基于聚合物给体-非富勒烯受体组合的OSC的光电性能

(a)电压-电流曲线;    (b)外量子效率曲线.

图3. 两种聚合物给体的烷基侧链取向图

(a) (b)为烷基侧链两两互指排列的PTFB-P给体；

(c) (d)为烷基链交叉排列的PTFB-O给体.

图4. 给体聚合物及给体与受体共混物薄膜的二维-掠入射X射线散射图

(a) PTFB-O,                     (b) PTFB-P,

(c) PTFB-O:ITIC,           (d) PTFB-P:ITIC,

(e) PTFB-O:PC₇₁BM,     (f) PTFB-P:PC₇₁BM.

表2. 聚合物给体薄膜以及给体与受体共混膜的层内排列的结晶性参数.(PTFB-P在纯膜和混合膜中的层内聚集度都大于PTFB-O)

【小结&展望】

基于对结构-性能关系的研究，颜河教授研究组利用取代氟原子的同分异构，达到了降低聚合物在活性层薄膜中聚集度的目的；在此基础上设计出了一种与非富勒烯受体结构兼容的高效给体聚合物PTFB-O，对应的OSC效率高达10.9%。这个效率达到甚至超过了采用富勒烯受体的OSC，表明以非富勒烯为受体的OSC具有非常广阔的发展前景。同时，本文所得出的结构-性能规律同样适用于其它有机光电材料。我们相信，随着各种新的给体材料的出现，OSC的PCEs必将达到一个新的高度。

【通讯作者简介】

颜河:2000年本科毕业于北京大学化学系，后在美国西北大学获得博士学位，师从于美国Medal of Science获得者TobinMarks教授。2006- 2012年在美国高科技创业公司Polyera担任科研副总裁，2012年起任职于香港科技大学化学系。颜河博士研究组主要从事有机太阳能领域的研究，最近几年多次打破有机太阳能电池的世界纪录，并多次在顶级期刊(Nature, Nature Energy, Nature Communications)上发表论文，2014年的Nature Communications论文在短短1年半被引用700次，为同时期世界范围内被引用最高的论文之一。

文献链接：Donor polymer design enables efficient non-fullerene organic solar cells.(Nat. Commun., 2016, DOI:10.1038/ncomms13094)

本文由材料人新能源学术小组Nicholas供稿，点我加入材料人编辑部。

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