北理工团队在全聚合物太阳能电池受体材料构筑方面取得重要进展

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近日，北京理工大学化学与化工学院王金亮教授团队在新型聚合物受体材料创制及其在高性能全聚合物太阳能电池构筑方面取得重要进展，相关研究成果发表在材料类国际顶级期刊《 Materials Science and Engineering: R: Reports 》（影响因子IF = 31.6）上，题为“Electron-deficient fused dithieno-benzothiadiazole-bridged polymer acceptors for high-efficiency all-polymer solar cells with low energy loss”。北京理工大学为第一通讯单位，化学与化工学院王金亮教授、安桥石特别研究员、四川大学彭强教授、徐小鹏教授、华南理工大学吴宏滨教授为共同通讯作者。化学与化工学院博士生白海瑞和张恒以及四川大学博士生孟惠峰和李银凤为该论文的共同第一作者。

“双碳”战略下，绿色低碳能源的创新开发已成为研究热点。全聚合物太阳能电池（all-polymer solar cells, all-PSCs）作为一种实用型绿色光电转换技术，具有轻、薄、柔和易加工等诸多优点受到了广泛关注。由于聚合物受体材料具有强分子链间缠绕能力与高的热稳定性，相应的器件具有强的机械拉伸性能和稳定的活性层形貌，在柔性可穿戴便捷式电子器件领域展现出巨大的应用前景。然而由于全聚合物太阳能电池受体材料匮乏与活性层形貌敏感且难以调控，其整体效率落后于其它类型电子给受材料构筑的有机太阳能电池。因此，如何高效合成新颖聚合物受体材料和制备出高效率兼具稳定性好的全聚合物太阳能电池，是该领域目前亟待解决的关键科学问题之一。

图1. 聚合物受体的分子结构和本征光电性质图

针对上述的关键科学问题，王金亮教授团队在前期重原子取代的受体材料的创制及其在高性能有机太阳能电池中的应用研究工作( Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202313016； Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 19241, ESI高被引论文; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202216340，ESI高被引论文; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202209454等)的基础上，采用聚合小分子受体化的构筑策略，以经典的“Y系列”小分子受体作为基本主受体合成砌块A1，分别以完全稠合的二噻吩苯并噻二唑DTBT单元以及非完全稠合的苯并噻二唑连二噻吩DT-BT作为缺电子桥接单元A2，高效合成A1-A2型聚合物受体材料PY-DTBT和PY-DT-BT，以及相应的基于富电子噻吩桥接单元的经典聚合物受体材料PY-IT（见图1）。进而系统探究不同电子效应以及稠合程度的桥接单元对聚合物受体光电行为、分子间堆积以及相应全聚合物太阳能电池的光伏性能和能量损失的影响和内在机制。

图2. PM6/聚合物受体共混薄膜的形貌图

图3. 全聚合物有机太阳能电池的性能与能量损失图

与PY-IT相比，A1-A2型聚合物受体PY-DTBT和PY-DT-BT纯膜表现出略微蓝移的吸收，但吸收系数更高，能级略微下移。与聚合物受体PY-DT-BT相比，在聚合物主链中加入完全稠合的缺电子结构DTBT的A2桥接单元，促进了分子内电子离域，增强聚合物受体PY-DTBT的平面度，从而有助于更好的结晶度和获得高载流子迁移率特点。PM6/PY-DTBT共混薄膜具有均匀分布的原纤维网络形态，具有适当的相分离和更好的薄膜结晶取向，可以促进电荷的产生和提取，并在相应的全聚合物电池中实现更好的电荷迁移率平衡，抑制复合，从而提高了器件的短路电流密度 J SC和填充因子FF（见图2）。最终，基于PM6/PY-DTBT的二元全聚合物太阳能电池获得17.58% 的光电能量转换效率，优于基于PM6/PY-IT与 PM6/PY-DT-BT器件效率。更重要的是，PM6/PY-DTBT的二元全聚合物太阳能电池与其他全聚物电池相比，也获得了非常低的能量损失（0.51 eV），实现了较高的开路电压。此外，以PY-IT作为第三组分进一步优化形貌，制备了基于PM6/(PY-DTBT90%:PY-IT10%)的三元全聚合物太阳能电池获得了18.51%的优异光电能量转换效率，这是报道时基于A1-A2型聚合物受体的全聚合物太阳能电池最高光电转换效率之一（见图3）。这项工作强调了将完全稠合的二噻吩苯并噻二唑DTBT用作缺电子桥链单元构筑聚合物受体材料是开发优异的A1-A2型聚合物受体的一种简单有效的策略，这为实现全聚合物太阳能电池兼具高效率和低能量损失的特质提供了新思路。

上述研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、国家级青年人才项目、全国博士后创新人才支持计划、北京理工大学特立青年学者计划、北京理工大学科技创新计划特立学生科技创新团队等项目以及北京市光电转换材料重点实验室和北京理工大学分析测试中心的支持。另外北京工商大学李熊教授团队以及上海交通大学的刘烽教授团队给予了大力支持。

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