武汉大学闵杰课题组：能量损失仅0.47eV的高效全聚合物太阳能电池

武汉大学闵杰课题组为了提高聚合物受体材料的光吸收性能并降低聚合物太阳能电池能量损失，开发出了一种新的聚合物受体材料PYT，该聚合物受体不仅具有高吸光系数9.79×10⁴ cm^-1，而且其光学带隙仅为1.42 eV。通过引入聚合物给体PM6，获得了能量损失仅为0.47 eV的高效全聚合物太阳能电池（13.43%）。

近年来，可应用于建筑集成光伏、便携式智能电子器件、万物互联设备的有机太阳能电池（OPV）受到广泛关注。基于非富勒烯小分子受体的器件能量转换效率（PCE）迅速提高，现已突破17%。尽管基于非富勒烯小分子受体的聚合物体系具有良好的光吸收和电子传输性能，但通常这类光伏体系的光、热、机械稳定性较差。相反，全聚合物太阳能电池（all-PSCs）在稳定性方面具有明显优势，引起了业内的广泛关注。通过聚合物受体材料的设计和活性层形貌的调控，全聚合物太阳能电池的PCE在五年内已经从3%迅速提升到了11%以上。然而，目前全聚合物电池效率未达到效率理论值，也远远低于基于非富勒烯小分子受体的聚合物太阳能电池。尽管存在许多高开路电压（V_oc）及填充因子（FF）的全聚合物光伏体系，但是其中主要的缺陷还是电流的提高。

最近，武汉大学闵杰教授团队设计合成了一种新的聚合物受体PYT。研究人员将C20支链烷基引入TTPBT骨架，合成了相应的Y5-C20-Br单体，随后在四三苯基磷钯的催化下，与2, 5-双（三甲基锡）噻吩进行Still偶联，从而获得聚合物PYT。之前的工作（Joule, 2020, 4, 1070-1086）系统研究了PYT分子量对光伏器件及其能量损失的影响，在此项工作中，研究人员进一步系统对比分析了PM6:PYT全聚合物体系和PM6:Y5-C20非富勒烯小分子聚合物体系的微纳形貌、器件效率和稳定性差异。

图1  材料分子结构和静电势分布以及其光学和电化学性能

PYT在600-900nm吸收范围内显示出强吸收峰，且消光系数达到9.79×10⁴ cm^-1，较Y5-C20的吸收峰整体红移，吸收范围更广，说明在PYT分子内部有更强的分子间作用力（如图1所示）。通过引入聚合物PM6作为给体材料，获得PM6:PYT器件的最佳效率为13.43%，性能明显优于小分子非富勒烯聚合物PM6:Y5-C20体系（9.42%，如图2所示）。不仅如此，PM6:PYT体系对薄膜厚度和添加剂（CN）相对不敏感，其稳定性（暗态存储和器件弯曲）比PM6:Y5-C20体系更好。该器件在中国计量科学研究院进行了认证，获得了12.2%的器件效率。相比于其他全聚合物体系（能量损失一般在0.55~0.80 eV，如图3所示），全聚合物PM6:PYT体系展现出了目前报道的最低能量损失（0.47 eV），进一步展现出聚合物受体PYT在光俘获能力和能量损失方面的巨大优势。

图2  基于不同材料组合以及不同器件结构的光伏性能

图3  全聚合物太阳能电池的能量损失分析

作者通过设计合成具有窄带隙、高吸光系数的聚合物受体PYT，制备出效率为13.43%、能量损失为0.47 eV的全聚合物太阳能电池。研究结果为设计高效聚合物受体材料和构建高性能全聚合物光伏体系提供了新的研究思路。论文第一作者为武汉大学博士生吴强和王伟，通讯作者为闵杰研究员。详见: Wu Q, Wang W, Wang T, Sun R, Guo J, Wu Y, Jiao X, Brabec C. J., Li Y & Min J. High-performance all-polymer solar cells with only 0.47 eV energy loss. Sci. China Chem., 2020, DOI: 10.1007/s11426-020-9785-7. 文章将收录在2020 Emerging Investigator Issue中。

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【扩展阅读】

作者简介闵杰，武汉大学高等研究院特聘研究员，博士生导师。2017年起就职于武汉大学，主要从事有机光电功能材料的设计合成、光电性能表征和材料与器件物理研究，重点研究开发第三代柔性太阳能电池技术。三年来以通讯作者在Joule, Nat. Commun., Adv. Mater., Energy Envir. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., Sci. China Chem.等期刊上发表SCI论文30余篇；申请国家发明专利3项，已授权2项。全部论文引用五千余次。