苏州大学张茂杰教授（李永舫院士团队）制备了光电转换效率高达13.5%的聚合物太阳能电池

相对于传统的富勒烯衍生物受体材料，n-型有机半导体小分子受体材料具有吸收光谱和能级易于调节、原料选择范围广泛以及生产成本低等突出优点，因而，非富勒烯聚合物太阳能电池（NF-PSCs）成为研究热点, 并且近三年来光电转换效率取得重大突破，叠层器件效率接近15%。然而，基于此类体系的高效宽带隙聚合物给体材料的种类非常有限、活性层形貌需要后处理优化、并且在一定程度上对活性层的膜厚和器件的面积较为敏感，这严重制约了聚合物太阳能电池的进一步发展和实际应用。

张茂杰教授在前期的研究中，首次将氟取代基引入到二维共轭聚合物的噻吩共轭侧链上，在不影响聚合物吸收光谱的条件下，有效地降低了其HOMO能级、增强了分子间相互作用并改善了活性层形貌；在给-受体共聚单元氟取代的协同优化下，聚合物太阳能电池的光电转化效率提高将近一倍(Adv.Mater., 2014, 26, 1118)。为了获得高效的宽带隙共轭聚合物给体材料，他们又将这一设计策略扩展到了宽带隙聚合物体系中，设计合成了共轭聚合物PM6 (E_g= 1.8 eV)。以PM6/PC₇₁BM 共混体系制备的聚合物太阳能电池获得了 9.2%（V_oc =0.98 V）的光电转化效率（Adv. Mater., 2015, 27, 4655），为目前已报道的基于宽带隙给体材料的最高效率之一。

鉴于该材料在非富勒烯聚合物太阳能电池的潜在应用，该团队以PM6为给体材料、以窄带隙n-型有机小分子ITIC为受体材料,制备了非富勒烯聚合物太阳能电池；在开路电压高达1.04 V的情况下获得了9.7%的光电转化效率(J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 22180)。紧接着他们又选用能级更匹配、结晶性以及分子排列更强的小分子IDIC为受体，制备了相应的光伏器件。活性层无需任何后处理的情况下，获得了11.9 %的光电转化效率(V_oc= 0.97 V，J_sc = 17.8 mA cm^-2和FF =69%)；更重要是，在活性层膜厚超过200 nm 和器件面积增大到0.81 cm²时，依然保持超过11%的光电转化效率。这是目前已报道的无需后处理厚膜大面积器件的最佳结果(Adv.Mater. 2017, DOI:10.1002/adma.20170454627)。

        近日，该团队充分利用氟取代材料在材料本征性能以及共混形貌方面展现出来的优势，以给、受体都含有氟取代基的PM6/IT-4F共混体系为活性层材料，制备了非富勒烯聚合物太阳能电池。该共混体系具有非常互补的吸收光谱以及良好匹配的分子能级（图1）。经过器件优化，最终获得13.5%的光电转化效率(V_oc = 0.84 V，J_sc = 22.2 mA cm^-2和FF = 72.5%)。

图1 氟取代聚合物给体和小分子受体的(a) 结构式、(b) 吸收光谱和(c)能级示意图。

       为了研究该共混体系实际应用潜力，他们考察了不同膜厚和不同器件面积下的光伏性能（图2）。结果发现在活性层膜厚高达285 nm、器件面积为1.0 cm²时仍然分别获得了高达12.2%和11.4%的光电转换效率。同时，最优器件在放置1920小时后仍然保持12.0%的光电转化效率。以上研究结果表明该活性层体系非常适用于高性能大面积器件的制备；同时也证明氟取代有机光伏材料在高效大面积有机太阳能电池器件制备中的巨大潜力。

图2 (a)不同器件面积时的电流-电压曲线; (b) 器件效率随放置时间的变化趋势；(c) 不同活性层厚度时的电流-电压曲线; (d) 器件效率随活性层膜厚的变化趋势。

近日，该成果以“Synergistic effect of fluorination on both donor and acceptor materials for high performance non-fullerene polymer solar cells with 13.5% efficiency ”为题，在线发表于Science China Chemistry (doi：10.1007/s11426-017-9199-1)。博士研究生凡群平为该论文的第一作者。该项工作得到国家自然科学基金（51422306, 51503135, 51573120 和 91633301）的资助。

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通讯作者简介：

张茂杰，苏州大学材料与化学化工学部教授、博士生导师。2011年毕业于中国科学院化学研究所获得博士学位，导师李永舫院士；2011年至2014年在中国科学院化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室工作，历任助理研究员、副研究员；2014年获国家基金委优秀青年科学基金资助；2014年9月受聘苏州大学，加入李永舫院士组建的苏州大学先进光电材料实验室。2016年获苏州市“高等院校、科研院所紧缺高层次引进人才”。2017年获江苏省“双创人才”。主要从事有机光伏材料与器件方面的研究工作，迄今为止共发表SCI研究论文100余篇，授权中国专利2项，发表论文包括Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Chem. Mater.、Macromolecules等；SCI他人引用4000余次，H因子37；其中15篇论文单篇他人引用超过100次，12篇论文入选ESI高被引论文，2篇论文入选“中国百篇最具影响国际学术论文”。