武汉大学高等研究院闵杰课题组《Adv. Ener. Mater.》：通过无规共聚策略助力制备高效聚合物太阳能电池

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近日，Wiley出版集团旗下期刊Advanced Energy Materials（《先进能源材料》）在线发表了武汉大学高等研究院闵杰课题组通过无规共聚策略设计聚合物给体材料方面取得的最新研究成果，题为“Solution-Processed Polymer Solar Cells with over 17% Efficiency Enabled by an Iridium Complexation Approach”（DOI: 10.1002/aenm.202000590）。博士研究生汪涛和孙瑞为共同第一作者，闵杰研究员为独立通讯作者，武汉大学高等研究院为第一署名通讯单位。该工作得到了国家自然科学基金和武汉大学自主科研项目等的资助。

有机太阳能电池的光电转换效率在过去三十年里不断提高，目前在实验室条件下，基于共轭聚合物/非富勒烯小分子的单结器件效率已突破17%。近年来，非富勒烯受体材料的快速发展对与之匹配的聚合物给体材料提出了新的要求。在富勒烯体系中，许多文献报道在高性能聚合物给体材料的骨架中引入少量重金属络合物或者其他结构单元的策略可以有效调控材料的结晶性，优化给受体相容性并改善相应的活性层形貌，从而显著提高了相关器件效率，特别是短路电流和填充因子。然而，目前含金属络合物的聚合物作为给体材料在非富勒烯体系中的研究相对较少，如何设计并合成更多适用于高性能非富勒烯受体的络合物掺杂的聚合物给体材料是一个重要而又富有挑战性的课题。

图1. 聚合物PM6-Irx化学结构式，有机太阳能电池器件结构以及PM6-Ir1:Y6器件的电流密度-电压曲线。

基于以上考虑，武汉大学高等研究院闵杰课题组科研人员首次将重金属铱络合物掺杂到高性能的聚合物给体材料PM6骨架中，并采取无规共聚方法，设计合成了一系列含有金属铱络合物的无规共聚物PM6-Irx（x = 0, 0.5, 1, 2.5和5，如图1所示）。研究发现利用少量的金属铱络合物进行掺杂，可以有效地调控聚合物PM6的分子平面性、结晶度、光吸收、能级以及改善与小分子受体材料Y6的相容性。进一步，原子力显微镜（AFM）和二维掠入射广角X射线散射（2D-GIWAXS）形貌表征结果揭示了引入重金属铱络合物在一定程度上会改变活性层中聚合物PM6的结晶性和分子排列，有效调节活性层的微观形貌。结果是PM6-Ir1:Y6光伏体系获得了最为理想的活性层形貌，能有效促进电荷产生与分离，提升载流子迁移率并抑制载流子复合，从而显著提升了器件的能量转换效率；器件效率从PM6-Ir0:Y6参比器件的15.39%提高到PM6-Ir1:Y6器件的17.24%，并得到了中国计量科学研究院的认证（16.7%）。这项工作表明，从材料的设计角度来看，除了开发新型材料结构外，在现有高效聚合物给体材料中引入重金属络合物来精细调控活性层的微观形貌，这也给突破现有高性能光伏体系光电转换效率提供了一个行之有效的研究方法。

相关论文发表在《先进能源材料》杂志上。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/aenm.202000590

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