南方科技大学郭旭岗教授课题组《Adv. Mater.》：窄带隙n型高分子半导体及其高性能全聚合物太阳能电池

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全聚合物太阳能电池（all-polymer solar cells）作为有机太阳能电池的重要一类，其光吸收层（电子给体/电子受体）全部由高分子半导体材料组成。相比于基于小分子受体（富勒烯/非富勒烯）的有机太阳能电池，全聚合物太阳能电池表现出优异的器件性能稳定性和机械性能，在柔性、可穿戴电子器件领域具有巨大的应用潜力。因此，发展高效的全聚合物太阳能电池具有重要的科学意义和商业应用价值。但是由于高性能n型高分子受体材料的缺乏，全聚合物太阳能电池对长波长区域的太阳光的吸收不足，同时，全聚合物太阳能电池通常难以平衡短路电流和开路电压。因此，迄今为止，只有少数n型高分子受体材料可以取得大于8%的能量转化效率（图1）。

图1. 具有代表性的基于酰亚胺功能化芳烃及硼氮配位键的n型高分子受体材料，包括: (a) 基于经典的萘二酰亚胺(NDI)和苝二酰亚胺PDI的高分子受体; (b) 基于硼氮配位键的高分子受体；(c) 基于双噻吩酰亚胺的高分子受体。

最近，南方科技大学郭旭岗教授团队联合瑞典林雪平大学高峰教授，香港科技大学颜河教授团队利用自主研发的双锡化双噻吩酰亚胺（BTI）与双溴化的稠环电子受体（FREA）聚合，制备了具有受体-受体（A-A）骨架、窄带隙的n型高分子受体材料L14（图2）。L14有效地结合了FREA小分子和A-A型聚合物的优势，在长波长区域(700-900 nm)具有高吸光系数且前线分子轨道能级相对于给体-受体(D-A)型高分子受体材料L11明显降低（CV，UPS，DFT结果一致表明），使得L14的电子传输能力得到有效提升（图3）。令人惊喜的是，BTI的引入使得基于L14的全聚合物太阳能电池器件的发光量子效率取得了极大提高，非辐射能量损失仅为0.22 eV。因此，尽管L14与聚合物给体PM6间能极差相对L11与PM6增大，但并没有损失太阳能电池的开路电压，基于L14的全聚合物太阳能电池获得了14.3%的能量转换效率（图2和图4），是该类电池的最高值之一。

图2. (a) 受体-受体型高分子受体材料L14和相应的受体-给体型受体材料L11的分子结构及开路电压-短路电流曲线；(b) 具有代表性的能量转化效率大于8%的全聚合物太阳能电池的效率和开路电压值。

图3. (a-d) n型高分子受体材料L11和L14在有机场效应晶体管器件中的转移和输出曲线; (e-f) L11和L14高分子薄膜的一维和二维掠入射广角X射线散射(GIWAXS)图。

图4. (a-c) 基于高分子受体材料L11和L14的全聚合物太阳能电池的性能曲线；(d) Y6:L11和Y6:L14混合膜的迁移率测试；(e-f) Y6:L11和Y6:L14混合膜的超灵敏EQE及电致发光EQE曲线。

目前该工作以“A Narrow Bandgap n-Type Polymer with an Acceptor-Acceptor Backbone Enabling Efficient All-Polymer Solar Cells”为题在线发表在《先进材料》（Advanced Materials, 2020, DOI:10.1002/adma.202004183，影响因子: 27.398）。该工作中采用的“小分子受体聚合物化”策略是中科院化学所李永舫院士和北京化工大学张志国教授于2017年率先提出（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 13503; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 10.1002/anie.202009666）。近3年，随着FREA结构的不断优化（尤其是中南大学邹应萍教授发明的Y系列分子，Joule 2019, 3, 1140）使得全聚合物太阳能电池的能量转化效率取得了大幅度提升。相比于已报道的D-A型聚合物，郭旭岗团队研究成果有效地结合小分子聚合化的策略与A-A型聚合物的巨大潜力，为发展高性能n型高分子受体材料提供了新的思路。天津大学叶龙教授和中科院重庆研究院阚志鹏研究员为本工作提供形貌表征等技术支持。

原文链接：

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202004183

郭旭岗教授简介：

郭旭岗教授，于1999年获得兰州大学本科学位，2002年获得兰州大学硕士学位，2009年获得美国肯塔基大学博士学位，2009年7月至2012年10月在美国西北大学进行博士后研究工作。2012年11月加入南方科技大学。2013年入选深圳市孔雀计划B类人才，2018年被聘为广东省珠江学者特聘教授。主要研究领域为有机半导体材料与光电器件，在n型高分子半导体材料与光电器件领域做出了国际领先水平的研究成果。以第一或者通讯作者身份在Chemical Reviews、Nature Photonics、Nature Materials、Nature Energy、Chem、Journal of the American Chemical Society（10篇）、Angewandte Chemie International Edition（3篇）、Advanced Materials（8篇）、Science China Chemistry、Science Bulletin等期刊发表论文100余篇，多项研究成果被中国科学杂志社，Science Daily、Phys.org、Chemistry World等媒体报道。

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