JACS: 規整窄帶隙聚合物受體助力高效全聚合物太陽能電池

聚合物太陽能電池（PSCs）因具有質輕、柔性以及可大面積印刷制備等優點而備受學術界和產業界的廣泛關注。得益于稠環類小分子受體（SMAs）材料的快速發展，PSCs已實現超過18%的能量轉換效率（PCE），為有機光伏的大規模生產和商業化應用帶來了巨大信心和動力。相較于SMAs基PSCs，全聚合物太陽能電池（all-PSCs，電子給體和電子受體皆為聚合物半導體）則擁有更為優異的形貌穩定性和機械耐久性，在柔性、可穿戴電子器件領域展現出廣闊的應用前景。然而，受限于高性能聚合物受體材料的匱乏，目前all-PSCs的器件效率卻遠滯后于基于SMAs的PSCs。

近期，“SMAs聚合化”設計策略的提出推動了一系列新型聚合物受體材料的開發，使得all-PSCs的性能得到大幅提升。盡管如此，現有的該類聚合物受體面臨在近紅外區域光捕獲能力不足，相應的all-PSCs器件能量損失較大等問題，由此制約了all-PSCs的進一步發展。另一方面，“SMAs聚合化”策略通常采用的端基，即溴化1,1-二氰基亞甲基-3-茚滿酮（IC-Br），一般包含兩種因極性相似而極難分離的異構體（IC-Br-γ和IC-Br-δ），導致聚合過程中反應位點的不確定性，進而引發聚合物產物出現區域異構問題。該現象嚴重影響了聚合物的批次可重復性，成為發展高效聚合物受體材料亟待解決的一大挑戰。

圖1. 三種聚合物受體的化學結構及其相應的光電性質。

針對上述問題，香港城市大學任廣禹（Alex Jen）教授研究團隊設計并合成了基于弱缺電子單元-苯并三氮唑（BTz）稠環中心核的窄帶隙聚合物受體PZT（圖1）。為解決PZT的異構問題，作者采用重結晶方法得到高純的IC-Br-γ，繼而通過典型的Stille偶聯縮聚反應獲得了區域規整的PZT (PZT-γ)。為深入探索規整控制和結構調整對聚合物光電性質和光伏性能的影響，該工作系統比較了PZT，PZT-γ以及已報道的基于苯并噻二唑（BT）高效聚合物PYT三種受體，建立了清晰的結構-性能關系。研究發現：相較于PYT，PZT的光學吸收紅移，最低未占用分子軌道 (LUMO)能級上升；而規整控制促使PZT-γ的吸收進一步紅移，并且分子主鏈方向的堆積增強。最終，基于PZT-γ的all-PSCs取得了高達24.7 mA/cm²的短路電流密度和低至0.51?eV的能量損失,?其PCE躍至15.8%?（當前報道的all-PSCs的效率最高值），顯著高于基于PYT (PCE = 12.9%)和PZT (PCE = 14.5%)的器件效率（圖2）。該研究為開發高效聚合物受體材料提供了新的思路和方向。

圖2. 基于三種聚合物受體的all-PSCs光伏性能對比。

這一成果于2021年2月10日發表在國際著名學術期刊Journal of the American Chemical Society上，論文的第一作者為香港城市大學付慧婷博士，通訊作者為李宇翔副教授和任廣禹教授。

論文信息：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c12527?

High Efficiency (15.8%) All-Polymer Solar Cells Enabled by a Regioregular Narrow Bandgap Polymer Acceptor,?Huiting Fu, Yuxiang Li*, Jianwei Yu, Ziang Wu, Qunping Fan, Francis Lin, Han Young Woo, Feng Gao, Zonglong Zhu, Alex K.-Y. Jen*, J. Am. Chem. Soc.,?2021,?DOI: org/10.1021/jacs.0c12527.

任廣禹教授現為香港城市大學李兆基講座教授（材料科學）以及化學系與材料科學系的講座教授，并曾擔任香港城市大學副校長、西雅圖華盛頓大學Boeing-Johnson講座教授與材料科學及工程學系系主任，其間獲華盛頓州州長委任為潔凈能源研究所的首席科學家。

任教授于學術領域有突出的成就和極高的引用率，與其他學者合著了950多份出版物，並曾獲邀600多次演講，著作獲引用超過67,000次，其H指數達131，并且是63項專利及發明的共同發明人。任教授專注于跨學科研究，范疇涵蓋應用于光子學、能源、感應器及納米醫學等領域的功能材料和器件。任教授在2014-2020年期間均被湯姆森-路透評為「高被引用研究者」，亦于2015及2016年獲評為「全球最具影響力的科學頭腦」。

身為一國際知名學者，任教授亦獲選為歐洲科學院外籍院士和華盛頓州立科學院院士，并且擔任AAAS, MRS, ACS, PMSE, OSA, SPIE等科學學會院士。

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