Nature子刊：新的給體聚合物使非富勒烯聚合物太陽能電池的效率達到10.9%

【研究背景】

有機太陽能電池（OSC），由于可以通過綠色的、低成本的印刷技術制備大面積的柔性薄膜電池組件，具有巨大的發展潛力。活性層是有機太陽能電池的核心部分，其作用為吸收光能并轉化為自由電荷。典型的有機太陽能電池的活性層，由能級相互匹配的電子給體與電子受體兩部分組成，活性層吸收太陽光后，在給體與受體的界面轉化為正電荷和電子，正電荷經由給體傳輸到陽極，而電子經由受體傳輸到陰極，向外電路供電。給體與受體的分子結構對活性層的形貌（活性層形貌的重要性在于決定了光生自由電荷的產生和遷移效率），從而對電池的性能具有重要的影響。過去二十多年來，OSC的受體材料基本上固定為富勒烯衍生物（最常用為PC₆₀BM和PC₇₁BM），因為其各向同性的球形結構，電負性和電子遷移率非常高。圍繞富勒烯衍生物受體材料，設計了各種性能優異的給體材料，使聚合物給體-富勒烯受體這種組合模式的OSC的光電轉化效率（PCEs）超過了10%。但是這種組合模式的致命缺陷在于富勒烯受體幾乎不吸收光，致使OSC不能完全覆蓋整個可見光-近紅外光區，進一步提高OSC的PCEs非常困難。

為了拓寬OSC的光吸收范圍，最近出現了一些性能優異的、與聚合物給體材料光吸收互補的非富勒烯受體材料。這為OSC的PCEs的進一步提高提供了更大的可能性。至此，一個重要的問題來了。適用于富勒烯受體的聚合物給體的結構設計方法是否同樣適用于非富勒烯受體，如何設計與非富勒烯受體兼容的給體聚合物呢？

【成果簡介】

香港科技大學化學系顏河教授（通訊作者）的研究團隊對上述問題進行了探索。繼2014年推出了一系列的與富勒烯受體兼容的、具有溫度依賴性聚集特性（TDA）的高效聚合物給體后，又在最近設計了一種新的、在結構上與非富勒烯小分子受體兼容的TDA型高效聚合物給體材料PTFB-O，使并沒有經過任何優化的非富勒烯OSC實現了高達10.9%的光電轉化效率。

他們巧妙地設計了兩個氟原子在苯環上分別鄰位和對位取代的給體聚合物PTFB-O和 PTFB-P同分異構體，并與其它的類似聚合物的結構和性能對比，表明了與富勒烯受體兼容的聚合物給體，不一定與非富勒烯受體兼容。在此基礎上，得出了新的給體聚合物設計的一個重要指導方法：由于非富勒烯受體的電子遷移率通常低于富勒烯受體，分子設計使給體聚合物的結晶更小、與受體更好地共混顯得尤為重要。

【圖文簡介】

圖1. 給體與受體材料的分子結構

其中，(a)為給體，(b)為受體;

(c)(d)分別為給體PTFB-O與PTFB-P的結構圖 (PTFB-O分子為鏡像對稱結構,PTFB-P分子為C2對稱結構).

表1. PTFB-O和PTFB-P聚合物給體分別與PC₇₁BM和ITIC受體組合的光伏性能

圖2. 基于聚合物給體-非富勒烯受體組合的OSC的光電性能

(a)電壓-電流曲線; ? ?(b)外量子效率曲線.

圖3. 兩種聚合物給體的烷基側鏈取向圖

(a) (b)為烷基側鏈兩兩互指排列的PTFB-P給體；

(c) (d)為烷基鏈交叉排列的PTFB-O給體.

圖4. 給體聚合物及給體與受體共混物薄膜的二維-掠入射X射線散射圖

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

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

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

表2. 聚合物給體薄膜以及給體與受體共混膜的層內排列的結晶性參數.(PTFB-P在純膜和混合膜中的層內聚集度都大于PTFB-O)

【小結&展望】

基于對結構-性能關系的研究，顏河教授研究組利用取代氟原子的同分異構，達到了降低聚合物在活性層薄膜中聚集度的目的；在此基礎上設計出了一種與非富勒烯受體結構兼容的高效給體聚合物PTFB-O，對應的OSC效率高達10.9%。這個效率達到甚至超過了采用富勒烯受體的OSC，表明以非富勒烯為受體的OSC具有非常廣闊的發展前景。同時，本文所得出的結構-性能規律同樣適用于其它有機光電材料。我們相信，隨著各種新的給體材料的出現，OSC的PCEs必將達到一個新的高度。

【通訊作者簡介】

顏河:2000年本科畢業于北京大學化學系，后在美國西北大學獲得博士學位，師從于美國Medal of Science獲得者TobinMarks教授。2006- 2012年在美國高科技創業公司Polyera擔任科研副總裁，2012年起任職于香港科技大學化學系。顏河博士研究組主要從事有機太陽能領域的研究，最近幾年多次打破有機太陽能電池的世界紀錄，并多次在頂級期刊(Nature, Nature Energy, Nature Communications)上發表論文，2014年的Nature Communications論文在短短1年半被引用700次，為同時期世界范圍內被引用最高的論文之一。

文獻鏈接：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學術小組Nicholas供稿，點我加入材料人編輯部。

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