中国科学院大学黄辉/张昕团队：基于非共价稠环骨架的低成本聚合物电子受体材料用于高效全聚合物太阳能电池

中国科学院大学黄辉教授/张昕副教授研究团队在前期开发的高性能非共价稠环受体的基础上，首次提出将非共价稠环电子受体作为聚合单体开发了一类新型聚合物受体，为设计低成本、高性能的新型聚合物受体材料提供了一个重要的新思路。

近年来，得益于李永舫院士提出的小分子受体高分子化策略，全聚合物太阳能电池发展迅猛。其中，稠环受体基聚合物受体（FRA-PAs）受到了广泛关注，以此为基础制备的全聚合物有机太阳能电池器件的光电转换效率也不断取得新的突破。相较于光捕获能力较差、带隙较宽的传统D-A共聚聚合物受体，FRA-PAs具有更高的吸光系数和更丰富的化学结构修饰位点。然而，稠环电子受体为单体通常面临着冗长的合成步骤和低产率的问题，FRA-PAs的高成本可能不利于全聚合物太阳能电池技术的产业化。因此，迫切需要为全聚合物太阳能电池开发低成本、高性能的聚合物受体材料。

非共价稠环受体(NFRA)具有构筑单元廉价易得、合成路线简单、成本低等优点，今年来获得了研究人员的大量关注。在非稠环受体中引入非共价构象锁（NoCLs），可以锁定分子构象使其保持良好的平面性，降低重组能，进而获得优异的光吸收和高电荷传输迁移率，有利于提高其光伏性能。然而，目前还尚未有相关报道将NFRAs作为聚合单元用于构建聚合物受体材料。

近日，中国科学院大学黄辉教授/张昕副教授研究团队在前期发展的非共价稠环电子受体的基础上（Sci. China Chem. 2021, 64, 228；Angew. Chem., Int. Ed. 2021, 60, 12475；Angew. Chem., Int. Ed. 2021, 60, 17720; Solar RRL, 2021, 5, 2100094; Adv. Funct. Mater., 2022, 2112433; Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2108861），设计合成了一类以非共价稠环受体单元为单体的聚合物受体材料（NFRA-PAs）并将其首次应用于全聚合物太阳能电池中。研究人员在聚合单体的端基上进行选择性氟化后，NFRA-PAs的光物理、电学特性以及固态堆积行为得到了系统调整。

图1  聚合物受体材料结构及设计策略 

研究人员将两个聚合物受体分别与聚合物给体PBDB-T共混制备了相应的全聚合物太阳能电池器件，结果显示基于PBTzO-2F的器件具有11.04%的最优光电转换效率，远高于基于PBTzO的器件，这得益于更有效的电荷产生和提取、更平衡的载流子传输和更低的能量损失。

图2  全聚合物太阳能电池器件性能 

更为重要的是，由于NFRA-PAs具有更简单的共轭骨架、更低的合成复杂度和更高的产率，基于PBTzO-2F的品质因子（FOM）显著高于已报道的高性能稠环受体基聚合物受体(FRA-PAs)。

图3  全聚合物太阳能电池器件的SC和FOM 

综上，该工作首次提出将非共价稠环电子受体作为聚合单体构建了一类新型聚合物受体（NFRA-PAs），为实现低成本、高性能的全聚合物太阳能电池提供了一个重要思路。相关研究成果在线发表于Science China Chemistry，论文第一作者为中国科学院大学硕士生古晓斌，共同第一作者为中国科学院大学博士生魏亚男，通讯作者为中国科学院大学黄辉教授、张昕副教授和东华大学唐正教授。详见:Gu X, Wei Y, Liu X, Yu N, Li L, Han Z, Gao J, Li C, Wei Z, Tang Z*, Zhang X*, Huang H*. Low-Cost Polymer Acceptors with Noncovalently Fused-Ring Backbones for Efficient All-Polymer Solar Cells. Sci. China Chem., 2022, DOI:10.1007/s11426-022-1222-y.

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通讯作者简介

黄辉 中国科学院大学教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。主要从事有机/高分子半导体材料的合成和应用研究，在光电、光热应用等方向取得了重要科研成果，迄今发表高水平学术论文100余篇，其中包括：Nat. Chem.、Nat. Commun.、JACS、ACIE、Adv. Mater.、EES、Sci. China Chem.等国内外顶尖学术刊物。目前任中国化学会分子聚集发光委员会委员、青年工作者委员会委员，中国感光学会光化学与光生物委员会委员，InfoMat杂志编委、Sci. China Chem.青年编委等。先后获得多项奖励与荣誉，包括中科院朱李月华优秀教师奖、中科院优秀导师奖等。

张昕 中国科学院大学长聘教轨助理教授（副教授），博士生导师。长期从事有机半导体材料设计、合成和有机太阳能电池器件加工相关的研究，尤其是低成本、高性能受体材料的设计与合成。发表SCI论文40余篇，他引3000余次，其中包括：Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、Sci. China Chem.等著名化学及材料领域期刊。主持国家自然科学基金青年科学基金项目和中国博士后科学基金，2022年入选“中国科学院青年创新促进会”会员。

唐正 东华大学先进低维材料中心，纤维材料改性国家重点实验室，研究员，博导。2014年博士毕业于瑞典林雪平大学，师从Olle Inganas教授。曾任林雪平大学应用物理系助理教授，德累斯顿工业大学应用光物理系洪堡学者（合作教授Koen Vandewal，Karl Leo）。主要研究方向为有机光电子器件，包括有机太阳能电池器件及有机窄带光电探测器，研究聚焦器件工作机制及器件性能损失机理。