郭旭岗/高峰等：低非辐射损失0.16 eV，高开路电压1.15V的全聚合物太阳能电池

南方科技大学郭旭岗课题组联合林雪平大学高峰课题组证实了聚合物给受体间在LUMO能级差极小的情况仍可发生有效电荷分离，实现了非辐射损失低至0.16eV的高效率全聚合物太阳能电池。该研究为设计新型聚合物受体及发展具有高开路电压的全聚合物电池提供了理论依据。

全聚合物太阳能电池（All-PSCs）是由共轭聚合物电子给体和聚合物电子受体材料共混制备的新型能源器件，由于其优异光热稳定性和机械性能而备受关注。近年来，尽管将窄带隙的稠环电子受体引入到聚合物骨架中，解决了All-PSCs只能在近红外光吸收的瓶颈，但开路电压（V_oc）成为了限制All-PSCs性能进一步提升的最关键因素之一。迄今为止，大部分高性能有机太阳能电池的V_oc都小于1 V，尤其是All-PSCs（图1）。众所众知，减小电池运行过程中的电荷产生和非辐射复合能量损失是提升V_oc的有效途径。

图1. 基于全共轭聚合物受体（非小分子聚合物受体）的All-PSCs中PCE，J_sc和V_oc的关系图。 

之前的工作已证实在基于聚合物/稠环电子受体有机电池中，可以通过调节和减小给受体能级差（△HOMO或者△LUMO）来减小能量损失，进而提升V_oc。而对于All-PSCs来说，由于缺少合适的材料体系，尤其是具有可调LUMO能级的聚合物受体，不仅其发展受到限制，其在运行过程中的能量损失机理的研究也不够完善。

图2. 新型BTIn聚合物受体和经典N2200聚合物受体化学结构及基本性能比较。 

郭旭岗教授和高峰教授等通过对比基于新型噻吩噻吩酰亚胺衍生物（BTIn）的聚合物受体和经典聚合物受体N2200，系统地阐述了聚合物受体LUMO能级变化对于All-PSCs能量损失及器件性能的影响实现了具有高V_oc和超低非辐射损失的All-PSCs。他们利用缺电子单元BTIn结合侧链工程和随机共聚分子设计策略，合成了两个新型BTIn聚合物受体SPA1和SPA2，与经典NDI聚合物受体相比，BTIn聚合物具有不同的电子结构——可调的LUMO能级（图2）。因此可以通过提升LUMO能级减小聚合物给受体间△LUMO从而最大化V_oc。EL和FTPS-EQE实验表明，与N2200纯膜及其混合膜Blend C相比，SPA1纯膜与相应共混膜Blend A具有相同发射峰且未观察到明显的电荷转移态峰，使得基于SPA的All-PSCs获得了1.15 V的V_oc。通过进一步调节LUMO能级，基于SPA2（Blend B）的All-PSCs电池可以同时获得了高V_oc（1.02 V）和EQE光响应（最大值大于>70%）。在该体系中，尽管电荷解离驱动力趋近于0，但仍可发生超快速电荷转移过程（图3），并发现基于SPA1和SPA2的All-PSCs都具有高的EQE_EL（0.8×10^-3和0.1×10^-4）（图3），远高于基于N2200的All-PSCs（0.4×10^-7），使得非辐射复合损失低至0.16 eV和0.29 eV。最终能量转换效率PCE分别为4.46%和9.21％（未使用任何添加剂)，4.46%是有机太阳能电池非辐射损失低至0.16eV时的最高效率，9.21%是所报道基于非小分子受体聚合物的All-PSCs最高能量转换效率之一。

图3. All-PSC能量损失及电荷转移。 

该项工作以“Reducing Energy Loss via Tuning Energy Levels of Polymer Acceptors for Efficient All-Polymer Solar Cells”为题，在线发表于SCIENCE CHINA Chemistry（https://doi.org/10.1007/s11426-020-9826-4）。

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【扩展阅读】

作者简介郭旭岗教授，于1999年获得兰州大学本科学位，2002年获得兰州大学硕士学位，2009年获得美国肯塔基大学博士学位，2009年7月至2012年10月在美国西北大学进行博士后研究工作。2012年11月全职加入南方科技大学。2013年入选深圳市孔雀计划B类人才，2018年被评为广东省珠江学者特聘教授。主要研究领域为有机半导体材料与光电器件，在n-型高分子半导体材料与器件方向做出了国际领先水平的研究成果。独立工作以来，以通讯作者在Sci. China Chem.、Sci. Bull.、Chem. Rev.、Nature Photonics、Nature Mater.、Nature Energy等期刊发表论文100余篇，多项研究成果被中国科学杂志社，Science Daily、Phys.org、Chemistry World等媒体报道。