北航霍利军教授：采用结晶性聚合物封端策略提高非富勒烯太阳能电池光伏性能

北京航空航天大学霍利军教授团队以聚合物给体材料PM6为母体，采用分步法合成了封端聚合物PM6TPO，实现了高分子量聚合物的有效封端，同时采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）实现了对封端聚合物封端效率的有效测量。通过将非富勒烯Y6作为受体，制备出基于封端聚合物PM6TPO的非富勒烯太阳能电池，最终器件实现了更高的开路电压和更优异的PCE（17.26%）。该研究不仅提供了一种有效评价高分子聚合物封端效率的方法，也证明了在非富勒烯太阳能电池中使用封端的强结晶聚合物能有效提高光伏性能。

随着有机光伏材料的发展和创新，特别是Y系列受体的出现，有机太阳能电池（OSCs）的能量转换效率(PCE)超过了18%，已经达到初步商用水平。为了进一步满足OSCs的商业化，寻找适合Y系列受体的聚合物给体材料是未来提高光伏性能的重要研究方向。然而，新型聚合物给体的开发主要集中在新型重复单元的创新或对主链/侧链结构的修饰上，通常伴有合成困难的问题。

在聚合物的合成过程中，对聚合物材料的封端是一个简单的操作，很多证据表明封端基团对聚合物的光电性能有明显影响。在富勒烯太阳能电池时期，很多文献都强调了封端基团分子间堆积、电荷捕获和薄膜微形貌的影响。随着非富勒烯受体材料的发展，聚合物给体的结晶性要求随之增高，封端基修饰对器件性能的影响很大程度上被忽略了。同时，聚合物封端基修饰在非富勒烯太阳能电池应用中存在两个难点：一方面，传统的封端聚合物通常是通过供电子/吸电子单体与封端单元的共混偶联聚合而获得的，此类聚合物通常具有较低分子量，难以满足现在非富勒烯太阳能电池对给体材料结晶性较强的要求；另一方面，低分子量封端聚合物的封端效率通常采用X射线光电子能谱(XPS)、基质辅助激光解吸/电离飞行时间(MALDI-TOF)质谱分析，以及¹H核磁共振(NMR)谱等方法，但对于高分子量的封端聚合物来说，由于检测极限的原因，极大限制了以上方法的应用（图1），封端程度和效果难以评价。

图1 低/高分子量聚合物通过XPS、MALDI-TOF MS和¹H NMR的检测特性(左);封端反应后的三种分子结构，ICP-MS定量比较PM6和PM6TPO的溴和锡含量(右)。 

近日，北京航空航天大学霍利军教授团队以聚合物给体材料PM6为母体，采用分步法合成了封端聚合物PM6TPO，实现了高分子量聚合物的有效封端。同时采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）实现了对封端聚合物封端效率的有效测量。通过将非富勒烯Y6作为受体，制备出非富勒烯太阳能电池。研究发现，封端聚合物PM6TPO与聚合物PM6有几乎不变的吸收范围和能级。利用掠入射广角X射线散射测试发现封端聚合物PM6TPO相比聚合物PM6结晶性稍显变弱，从而使PM6TPO与受体材料有更好的共混，实现了有效的电荷转移和较低能量损失。最终基于封端聚合物PM6TPO的器件实现了更高的开路电压和更优异的PCE（17.26%），而母体聚合物PM6的PCE仅达到16.21%。该研究不仅提供了一种有效评价高分子聚合物封端效率的方法，也证明了在非富勒烯太阳能电池中使用封端的强结晶聚合物能有效提高光伏性能，有利于促进有机太阳能电池的发展。 

论文第一作者为北京航空航天大学博士生郑冰，通讯作者为霍利军教授。详见: Bing Zheng, Yuchen Yue, Jianling Ni, Rui Sun, Jie Min, Jingxia Wang*, Lei Jiang, Lijun Huo*. An end-capped strategy for crystalline polymer donor to improve the photovoltaic performance of non-fullerene solar cells. Sci. China Chem., 2022, doi:10.1007/s11426-021-1205-5.

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通讯作者简介

霍利军 北京航空航天大学化学学院教授，博士生导师。主要从事聚合物太阳能电池和有机半导体材料与器件的研究。近年来，在J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.，Macromolecules等杂志发表研究性论文100余篇，并被SCI期刊引用超过14000次，H-index 为54。近5年以第一发明人申请中国专利7件，授权5件。