南方科技大学郭旭岗教授课题组《Adv. Funct. Mater.》：具有加强稳定性的高效三元全聚合物太阳能电池

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近日，南方科技大学材料科学与工程系郭旭岗教授课题组在Advanced Functional Materials上发表利用超窄带隙n型高分子构筑高效稳定的三元全聚合物太阳能电池的最新研究进展。

与其他类型的有机太阳能电池相比，由p型聚合物作为给体和n型聚合物作为受体的全聚合物太阳能电池受到了广泛的关注，这主要是因为其具有良好的机械性、可拉伸性和器件性能稳定性。通过设计合成新的聚合物受体材料和优化活性层形貌，全聚合物太阳能电池的能量转换效率（PCE）已经突破10%。然而，全聚合物太阳能电池效率仍然低于基于宽带隙聚合物给体和窄带隙小分子受体组成的有机太阳能电池(PCE > 17%)，这主要归根于目前缺乏在长波长区域具有强和宽的吸收的聚合物受体材料，从而全聚合物太阳能电池的短路电流密度(J_sc)较低。

构筑三元有机太阳能电池是提升电池效率的有效策略。三元有机太阳能电池由两个给体材料和一个受体材料或一个给体材料和两个受体材料所组成，不仅有利于拓宽电池的吸收光谱而且器件结构简单，因此被广泛采用。然而，该策略在全聚合物太阳能电池中的应用十分有限，这是因为缺乏高效率的窄带隙聚合物受体材料和多元聚合物共混造成的形貌难以控制的挑战。考虑到全聚合物太阳能电池具有良好的机械性和形貌稳定性等方面的优势，发展高效率的三元全聚合物太阳能电池对全聚合物太阳能电池发展十分重要。

图1（a）文献报道具有代表性的聚合物给体；（b）文献报道具有代表性的聚合物受体及其带隙、全聚合物太阳能电池的短路电流、能量转换效率和本论文报道的工作。

目前，只有极少数三元全聚合物太阳能电池体系的PCE超过6%，其最高效率甚至低于两元全聚合物太阳能电池的效率。在众多聚合物受体中，基于萘二酰亚胺（NDI）和苝二酰亚胺（PDI）的聚合物是用于构建三元全聚合物太阳能电池最常见的受体材料。图1显示了具有代表性的聚合物给体和聚合物受体组成的三元全聚合物太阳能电池体系。由图可见，目前文献报道的这些三元体系中聚合物受体的带隙较宽，其制备的全聚合物太阳能电池的J_sc均< 20 mA cm⁻²，PCE均< 11%。这些三元全聚合物太阳能电池在可见光区域具有较强的吸收，但是在近红外区域较差的吸收限制了电流和效率的提高。

最近，郭旭岗教授课题组在《Advanced Materials》中首次报道了具有超窄带隙(1.38 eV)的高分子半导体受体材料DCNBT-TPC。该半导体在长波区域具有很强的吸收，打破了长期以来限制高分子受体材料在两元全聚合物电池中性能的瓶颈。在此为基础，该课题组将该高分子半导体与宽带隙的PBDB-T和中等带隙的PTB7-Th共混制备的三元全聚合物电池获得了21.9 mA cm⁻²的J_sc和12.1%的能量转换效率（图2），打破了三元全聚合物太阳能电池的效率记录。性能的提升主要受益于三元体系吸收的提升和对载流子更为有效地提取，加少了电荷的复合。这表明利用超窄带隙的聚合物受体材料与相容的聚合物给体材料共混制备三元全聚合物太阳能电池是推进全聚合物太阳能电池发展的有效途径。同时，该三元全聚合物太阳能电池取得了比二元全聚合物太阳能电池更为稳定的器件性能。

图2 （a）PBDB-T、PTB7-Th和DCNBT-TPC的分子结构示意图；（b）PBDB-T、PTB7-Th和DCNBT-TPC在薄膜中的紫外-可见吸收光谱图；（c）两元和三元全聚合物太阳能电池电压-电流特征曲线。

该论文以题为“Highly Efficient Ternary All-Polymer Solar Cells with Enhanced Stability”发表在Advanced Functional Materials上。论文第一作者为南方科技大学博士后冯奎。通讯作者为南方科技大学郭旭岗教授，共同通讯作者为韩国高丽大学Han Young Woo教授。该工作得到了中国博士后科学基金、深圳市基础研究基金的资助。

论文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202008494

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