【李永舫院士团队】单结全聚合物太阳能电池的光电转换效率超过11%

苏州大学李永舫院士团队的张茂杰教授基于自主研发的氟取代宽带隙聚合物PM6给体，制备了能量转化效率11.2%的单结全聚合物太阳能电池（all-PSCs），这是已报道的单结all-PSCs中的最高效率。

全聚合物太阳能电池（All-PSCs）是活性层给体和受体材料都是聚合物的太阳能电池，由于全聚合物太阳能电池具有优异的热稳定性和良好的机械稳定性等优点，近年来引起了国内外研究者的广泛关注，成为新能源和材料领域的研究热点。最近，苏州大学材料与化学化工学部的张茂杰教授基于PM6/PZ1体系，制备了能量转化效率超过11%的全聚合物太阳能电池。

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）。

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、分别以窄带隙n-型有机小分子ITIC、IDIC、IT-4F为受体材料，制备了非富勒烯聚合物太阳能电池，均取得了不错的结果。在使用ITIC为受体时，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=0.97V, J_SC=17.8 mA cm^-2和FF=69%)；且该体系在活性层膜厚超过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 (Adv. Mater. 2018, 30,1704546)。之后，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13.5%的光电转化效率的高效非富勒烯聚合物太阳能电池。他们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 (Sci. China Chem., 2018, 61,531-537)。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。

最近，他们使用PM6为给体、n-型共轭聚合物PZ1为受体制备了全聚合物太阳能电池。PM6/PZ1共混体系除了具有互补的吸收光谱和匹配良好的分子能级，而且，共混薄膜展示出有序的分子取向，优异的face-on排列方式以及合适的相分离尺度，有利于激子的有效分离以及电荷的传输与收集，最终光伏器件获得了效率高达11.2%能量转化效率(V_OC=0.96 V, J_SC=17.1 mA cm^-2和FF=68.2%)，这是已报道的单结all-PSCs中的最高效率，并且该电池不避光放置80天后仍然保持90%以上的效率。同时，制备了大面积和不同活性层膜厚的电池器件，在面积为1.1 cm²时可以获得9.2%的效率；活性层厚度为205nm时，效率依然保持在8% 以上。

图1  基于PM6给体的单结全聚合物太阳能电池的结构与性能

近日，该研究成果以“11.2% Efficiency all-polymer solar cells with high open-circuit voltage”为题，在线发表于Sci. China Chem. (doi：10.1007/s11426-019-9466-6)。硕士研究生孟园和吴敬男为该论文的共同第一作者。

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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9月受聘于苏州大学，加入李永舫院士组建的苏州大学先进光电材料实验室。主要从事有机光伏材料与器件方面的研究工作，迄今为止在Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Chem. Mater.、Macromolecules 等重要学术期刊发表SCI研究论文共120余篇，授权中国专利2项；SCI他引5600余次，H因子43；其中20篇论文单篇他引超过100次，15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”。2014年获国家基金委优秀青年科学基金资助；2017年入选江苏省“双创人才”；2018年入选江苏省“六大人才高峰”高层次人才。

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