郑州大学孙晨凯课题组 AFM：PTQ12-19.36%效率有机太阳能电池

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有机太阳能电池(OSCs)因其可溶液加工、本征柔性、重量轻、半透明等独特优势，近年来受到了广泛关注。要实现OSCs的产业化，低成本、高性能和高稳定性是必不可少的。迄今为止，最高效的OSCs的能量转换效率(PCE)已经超过19%，满足了产业化应用对光伏性能的要求。但是，目前高性能的OSCs体系主要基于p型聚合物给体和n型有机小分子受体，如聚合物给体PM6、D18和PBTz-F等，以及小分子受体Y6、L8-BO、BTP-eC9等。这些分子具有十分优异的光伏性能，但是普遍化学结构复杂、合成路线长、纯化步骤繁琐且合成率低，从而导致它们的合成成本很高，因此不太可能实现大规模制备和产业化应用。因此，设计和开发低成本、高效的有机光伏材料对推动OSCs从实验室走向市场是刻不容缓的。

针对上述问题，郑州大学化学学院孙晨凯课题组通过在前期原创性开发的低成本高效聚合物PTQ10的分子骨架中嵌入二氟取代的联噻吩(2T-2F)单元，设计合成了三个简单分子结构的三元共聚物给体PTQ12-5、PTQ12-10和PTQ12-15。三个聚合物的合成从低成本原料开始，只需要两步的合成路线，且产率在85%以上，因此具有明显的低成本特点。根据PTQ12-5、PTQ12-10、PTQ12-15的合成路线和分离纯化工艺，并结合原料、中间体、试剂的用量和价格、各化学反应的合成产率、分子分离纯化操作等，计算得到PTQ12-5、PTQ12-10、PTQ12-15的每公斤成本(C_kg)分别为262.07×10³、292.90×10³、347.86×10³ ¥ kg⁻¹，这明显低于当前报道的其它高性能聚合物给体。另外，PTQ12-5的吸光系数和空穴迁移率均高于PTQ10。当与小分子受体K2共混时，基于PTQ12-5的OSCs表现出更高效的激子解离和电荷提取，抑制的电荷载流子复合，更紧密的分子π-π堆积，更快速且平衡的电荷传输。最终，与基于PTQ10的器件相比（PCE = 18.03%），基于PTQ12-5的OSCs的PCE有显著的提升（PCE = 18.77 %）。此外，通过向 PTQ12-5:K2共混膜中引入第二受体 K6，以进一步调节光活性材料的能级结构和共混特性，最终实现了19.36 %的PCE，这是当前基于低成本聚合物给体的OSCs的最高效率。

图1. 聚合物的物理化学性质及其光伏性能

图2. 共混薄膜的2D GIWAXS图案以及1D GIWAXS沿平面内（红线）和平面外（黑线）方向的相应强度分布

图3. 共混薄膜的飞秒瞬态吸收光谱

相关研究成果以“19.36% Efficiency Organic Solar Cells Based on Low-Cost Terpolymer Donors with Simple Molecular Structures”为题于近日发表在国际权威学术期刊《Advanced Functional Materials》上，郑州大学化学学院硕士研究生武鑫为论文第一作者，郑州大学化学学院孙晨凯直聘教授为论文的唯一通讯作者，郑州大学化学学院为第一单位。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202405168

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