香港科技大學顏河課題組A.M.丨全聚合物太陽能電池效率突破17%！

一、【導讀】

有機太陽能電池由于其輕薄、透明、柔性、易加工等特點，近年來得到科研群體的廣泛關注。目前基于聚合物給體和小分子受體的太陽能電池已經突破18%的能量轉化效率, 達到可以商業化的標準。全聚合物太陽能電池（all-PSC）最近成為領域內競相研究的熱點，由于聚合物鏈間的穩定二級結構，可以賦予光伏器件優越的形貌穩定性、機械穩定、光熱穩定性，從而使得器件壽命延長，滿足實際應用。

二、【成果掠影】

近期，香港科技大學顏河課題組研發了一種基于乙烯鏈接基元的聚合物受體（PY-V-γ），用來增強聚合物鏈內的共平面性與主鏈剛性程度，從而增強鏈內共軛、減少構象混亂度，進而增強鏈間堆積，提升光伏轉化效率。

密度泛函計算發現，相較于傳統使用的噻吩（PY-T-γ）、聯噻吩鏈接基元(PY-2T-γ)，乙烯單元與端基片段的二面角接近于0度，遠小于其余兩者接近20度的二面角，大大增強了鏈內的電子云共軛。而由于聯噻吩擁有額外的一根可以自由轉動的σ單鍵，PY-2T-γ的共平面成度與構象穩定性都被大大削弱了。分子動力學模擬表明，PY-V-γ同時擁有最小的鏈末端距與二面角分布，再次印證構象穩定性的趨勢：PY-V-γ > PY-T-γ > PY-2T-γ，而穩定的聚合物骨架將有利于鏈間堆積與電荷傳輸。

三、【圖文解析】

圖1.?密度泛函及分子動力學模擬結果

因此，基于PM6: PY-V-γ的光伏器件實現了17.1%的能量轉化效率，這也是目前報道的最高二元全聚合物太陽能電池效率。相較于另外兩個全聚合物體系，顯著提升的填充因子（FF）得益于更加好的鏈內共軛與剛性的分子構象。

圖2.?光伏器件效率表征結果；激子解離、電荷收集、電荷復合結果

紫外可見光譜中增強的0-1、0-2峰體現了PY-V-γ鏈內更好的電子云共軛，而GISAXS實驗表明PM6:PY-V-γ形成了更大的結晶相與較少的的混合相，得益于PY-V-γ中增強的分子間堆積性質。

圖3. 材料光譜吸收及電化學性質

圖4.?相分離表征結果（GISAXS）

此外，基于上述PM6:PY-V-γ優秀的光伏性質，我們又將其用于柔性器件的加工制備。在基于polyethylene naphthalate (PEN)/ITO/PEDOT:PSS/PM6:PY-V-γ/PNDIT-F3N/Al的器件結構中，仍然可以實現接近14%的光伏轉換效率。值得注意的是，其柔性器件的機械穩定性在經過1000次循環彎折實驗后，仍保持著90%的初始效率，這體現了全聚合物太陽能電池優越的機械性能，有望用于可穿戴電子設備。

圖5.?器件穩定性及柔性器件結果

最后，作者又對于這一系列聚合物受體的理想幾何構型進行了討論。由于Y系列小分子的彎形骨架，使得重復單元之間應當按照“S”形狀進行排列，總體呈現出中心對稱的性質（C_2h）。而由于噻吩鏈接基元的軸對稱性質（C_2v），這將打破原本中心對稱的鏈走向，造成一個30度的傾斜角與彎曲的聚合物鏈。此外，噻吩單元還會給兩側單體帶來不同的化學環境，從而引入更多的結構混亂度。而對于中心對稱的乙烯單元，則不存在上述問題，繼而保持平行的鏈走向、共平面且剛性的鏈構象。雖然聯噻吩也是中心對稱的鏈接單元，但是中間自由度極高的單鍵是降低共軛與構象穩定性的主要原因。

圖6.?理想dimer重復單元幾何構型分析

四、【小結】

本工作表明通過引入中心對稱的剛性片段來增強聚合物受體鏈內的電子共軛與構象穩定性是實現高效、穩定的全聚合物太陽能電池的關鍵，為進一步優化all-PSCs性能提供了方向。?

本文的第一作者是香港科技大學的于涵博士，共同一作為香港城市大學博士生王焱，香港科技大學博士生Kim Ha Kyung。分子動力學模擬得到北京大學姚澤凡博士的幫助，柔性器件加工得到了香港城市大學朱宗龍教授的幫助。

研究以“A Vinylene-Linker-Based Polymer Acceptor Featuring Co-planar and Rigid Molecular Conformation Enables High-Performance All-Polymer Solar Cells”為題發表在國際頂級期刊《Advanced Materials》雜志（DOI：10.1002/amda.202200361）。

本文由作者供稿。