香港科技大學顏河、南京大學陳尚尚Nat. Commun.：富勒烯客體聚合物提升光伏器件穩定性，全聚合物太陽能電池效率突破18%！

【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19%的能量轉化效率, 接近實現商業化的標準。富勒烯受體通常具有優異的電子傳輸性能，可以作為三元有機太陽能電池的客體組分，以提高電荷的提取和光伏效率。然而，傳統的富勒烯小分子通常會出現不理想的相分離和二聚化，使得器件效率與穩定性降低，從而限制了它們在有機太陽能電池中的應用。

【成果掠影】

近期，香港科技大學顏河與南京大學陳尚尚課題組報道了一種聚富勒烯受體(PFBO-C12)，將其作為客體組分引入到全聚合物體系，可以將二元器件的光伏效率從16.9%顯著提高到三元器件的18.0%。超快光譜和光電物理研究揭示PFBO-C12可以促進空穴轉移和抑制電荷復合。形貌研究表明，三元共混物具有較高的結晶度和較小的相分離尺寸。同時，PFBO-C12的引入降低了電壓損失，使全聚合物太陽能電池在柔性設備中具有優異的光穩定性和機械耐久性。這項工作表明，引入聚富勒烯作為客體組分，是實現高效、穩定的全聚合物太陽能電池的有效途徑。

【圖文導讀】

首先，作者通過已報道的ATRP聚合方法得到通過對二甲苯鏈接的聚富勒烯材料，PFBO-C12。此方法相較傳統PCBM的合成方法，省去了復雜的柱色譜分離純化，僅需要進行索氏提取純化，大大提升了富勒烯的利用率、降低了合成成本。電化學測試（CV，圖1b）表明其電化學能級與PCBM相當。紫外可見光譜（UV-Vis,圖1c）表明PFBO-C12同PCBM一樣可以與聚合物給體（PM6）/聚合物受體（PY-V-γ）形成互補的光譜吸收。與此同時，共混膜吸收光譜表明，PCBM與PFBO-C12的加入都可以促進受體部分的吸收強度增強(圖1d)，而基于PFBO-C12的三元共混薄膜在300-500 nm波長范圍內表現出稍強的響應，這將有利于光子收集與光電流產生。

圖1.?本文涉及的分子結構，電化學能級圖，紫外可見光譜（純相c，混合相d）

因此，基于PM6: PY-V-γ:PFBO-C12的光伏器件實現了18.0%的能量轉化效率，這也是目前報道的最高全聚合物太陽能電池效率之一（圖2a-c）。聚富勒烯的引入能夠有效的抑制電荷復合以及增強光伏器件的載流子遷移率（圖2d-e）。相較于二元全聚合物體系，升高的短路電流（J_SC）得益于上述提升的光譜性質，而顯著提升的填充因子（FF）則主要得益于更為優化的形貌特征。結晶性與相分離的形貌實驗中也表現出了與光伏性能一致的趨勢：基于PFBO-C12的共混膜表現出增強的面外衍射強度（圖3b）與抑制的相分離尺寸（圖3d）。

圖2.?光伏器件效率表征結果；電荷收集與復合，載流子遷移率結果

圖3.?結晶性與相分離表征結果（GIWAXS & GISAXS）

此外，基于上述實驗，作者又對三組材料體系進行了系統的光物理實驗表征（圖4），瞬態吸收實驗觀察到與上述實驗一致的電荷轉移結果：在三元體系中，PCBM和PFBO-C12都可以促進激子的擴散與分離；而無論是長波還是短波激發，基于PFBO-C12的三元體系皆表現出最快的空穴轉移與電子轉移時間。

圖4.?瞬態吸收實驗結果

最后，作者對器件的穩定性方面又進行了表征。結果表明，同時，PFBO-C12的引，使全聚合物太陽能電池在柔性設備中具有優異的光穩定性和機械耐久性。在器件的彎折實驗中，表現出足夠好的柔韌性。

圖5. 器件光穩定性和機械穩定性表征

【小結】

作者團隊開發了聚富勒烯受體(PFBO-C12)作為客體組分，并應用于全聚合物太陽能電池中，使其光伏轉化過程得到有效促進，能量效率得到有效提升（18.0%）。與此同時，聚富勒烯客體聚合物也使全聚合物太陽能電池的光穩定性和機械耐久性得到了有效提升。這項工作表明，引入聚富勒烯作為客體組分，是實現高效、穩定的三元全聚合物太陽能電池的有效途徑。

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，香港科技大學鄒欣卉博士。特別感謝香港科技大學黃錦勝教授在光物理表征方面的指導，感謝香港城市大學朱宗龍教授在柔性器件表征方面的指導。

研究以“Improved photovoltaic performance and robustness of all-polymer solar cells enabled by a polyfullerene guest acceptor”為題發表在國際頂級期刊《Nature?Communications》雜志（DOI:?10.1038/s41467-023-37738-9）。

本文由作者供稿

【作者簡介】

于涵，博士2017年本科畢業于北京大學化學與分子工程學院，隨后進入香港科技大學化學系攻讀研究生，于2021年獲得博士學位（導師：顏河教授）。畢業后獲得香港特別行政區創新科技署-創新科技基金博士后資助項目，于香港科技大學繼續博士后研究至今。博士期間主要從事新型聚合物光伏受體材料的設計與合成工作，著眼于探索新型聚合物光伏受體之間的構效關系，在基于全聚合物太陽能電池的效率與穩定性方面取得了重要的創新性研究成果，并數次創造全聚合物太陽能電池的效率紀錄。發表SCI學術論文44篇，包括以第一作者/共同第一作者/通訊作者發表在《Nature Communications》、《Advanced Materials》、《Angewandte Chemie》、《Joule》、《Advanced Energy Materials》、《Advanced Functional Materials》等期刊的19篇論文，引用超過2000次，h-因子: 25。目前仍主要從事聚合物受體材料的設計開發，用于高效率、高穩定性、同時易于大規模加工的柔性有機太陽能電池器件應用。

顏河，香港科技大學終身教授，能源研究院副院長，在有機電子材料領域有多年研究經驗，曾創辦著名的Polyera公司。2009年，顏河教授課題組在《自然》雜志上發表了一個高遷移率的n型有機半導體高分子材料。此材料被譽為開啟了“新晶體管時代”并登上了《自然》的封面。回到香港科大后，顏河教授從事有機太陽能領域的研究，在過去幾年中多次打破有機太陽能電池的世界紀錄。顏河教授的研究成果在2015年被美國國家可再生能源實驗室收錄進著名的“best research-cell efficiency chart”世界紀錄表。香港科技大學也成為40年來中國第一個有幸錄入“best research-cell efficiency chart”的高校。顏河教授共發表論文超過370篇，最近幾年一共18次在頂級期刊（Science、Nature及Nature系列期刊）發表論文。2014年的Nature Communications和2016年的Nature Energy兩篇論文被引用超過3300和3100次，均是該期刊2014年來引用最高的論文。顏河教授是2020年騰訊科學探索獎的50位獲獎人之一，其近年來連續入選Web of Science的高倍引學者，入選香港首屆RGC Research Fellow。顏河教授已經建立起一個以香港為中心的高度學科交叉的國際性科研合作平臺。

陳尚尚，南京大學化學化工學院教授，博士生導師，課題組組長，國家級青年人才計劃入選者。2014年獲南京大學學士學位，2018年獲香港科技大學博士學位（導師：顏河教授），2018至2021年在美國北卡羅萊納大學教堂山分校從事博士后研究（導師：黃勁松教授），2022年加入南京大學化學化工學院高分子化學與物理系，任tenure-track PI。以第一/通訊作者在核心期刊發表SCI論文40余篇，包括Science，Nature Energy，Nature Sustainability，Nature Communications，Science Advances，Joule，JACS，Angew. Chem.，Advanced Materials等，引用6500余次，擔任Nature，Nature Sustainability，Angew.Chem.等期刊的獨立審稿人，以及Exploration和Nano Research Energy的青年編委。