天津大学耿延候/李淼淼等：聚(3-己基噻吩)全聚合物太阳能电池器件效率突破8%

天津大学耿延候教授/李淼淼副教授研究团队针对典型低成本聚合物聚(3-己基噻吩)（P3HT），设计合成了一种具有良好电子传输性能的高能级聚合物受体材料，并系统研究了分子结构-薄膜形貌-光伏性能之间的关系，获得了能量转换效率达8.30%的P3HT全聚合物太阳能电池。该研究工作对与P3HT匹配的聚合物受体材料的分子设计及聚集态结构调控具有重要指导意义。

全聚合物太阳能电池（APSC）具有优异的溶液加工性、稳定性和力学柔韧性，极具商业应用前景。相较于目前高性能的聚合物光伏材料，P3HT具有低成本、易合成等优点，是一种最容易大量生产且批次差异可控的聚合物材料之一，在商业化应用中具有显著优势。然而，P3HT具有高的HOMO能级（~-4.9 eV），难以与目前高效受体材料匹配，此外，全聚合物体系共混薄膜倾向于形成较大的相分离结构，薄膜形貌调控较为困难。因此，基于P3HT的全聚合物太阳能电池发展十分缓慢，亟需开发新型聚合物受体材料。与P3HT相匹配的聚合物受体需要具有高的前线分子轨道能级、窄的光学带隙，并且能够与P3HT形成纳米尺度的薄膜形貌；同时需要关注具有如此高前线分子轨道能级的共轭聚合物能否实现有效的电子传输，发挥光伏受体材料的作用。

近日，天津大学耿延候教授和李淼淼副教授团队以单氰基取代苯并噻二唑（BT-CN）为受体单元，设计合成了一种高能级聚合物受体材料IDTBTC8-CN，同时合成了基于未取代BT单元的聚合物IDTBTC8（图1）作为参比聚合物。氰基的引入使得聚合物的LUMO能级降低，而对HOMO能级影响较小，因此IDTBTC8-CN的光学带隙明显低于IDTBTC8。理论计算结果表明，由于氰基的位阻作用，IDTBTC8-CN分子骨架具有适度的扭曲，这有利于抑制聚合物自聚集；另外，IDTBTC8-CN具有更大的偶极矩，这有利于共混薄膜中的电荷分离。值得注意的是，相比于IDTBTC8，IDTBTC8-CN具有显著提高的电子迁移率，氰基的引入使聚合物从以p型为主的电荷传输特性转变为以n型传输为主的电荷传输特性。此外，相比于IDTBTC8，IDTBTC8-CN具有更低的表面能，IDTBTC8-CN与P3HT具有更好的相容性。

图1. IDTBTC8与IDTBTC8-CN的光物理、电化学、电荷传输性质及薄膜表面能

作者进一步表征了两个聚合物受体与P3HT共混体系的薄膜形貌及光伏器件性能。由于IDTBTC8与P3HT之间的相容性较差，初始条件下的共混薄膜形成了过大的相分离结构，不利于激子的扩散与分离。热退火处理虽然提高了分子堆积有序度，但同时进一步增大了相分离尺度。由于不理想的活性层形貌以及较低的电子迁移率，P3HT:IDTBTC8体系仅获得1.21%的器件效率。而IDTBTC8-CN更扭曲的分子骨架以及其与P3HT良好的相容性，有效抑制了大尺度相分离的形成，初始条件下共混薄膜形成了较为均匀的形貌。通过添加溶剂添加剂及热退火处理，共混薄膜形成了高结晶度的互穿网络结构（图2）。得益于良好的共混薄膜形貌以及受体材料高的前线轨道能级、窄的光学带隙和较高的电子迁移率，基于P3HT:IDTBTC8-CN的全聚合物共混体系获得了8.30%的器件效率，这是目前P3HT全聚合物光伏器件性能的最高值。此外，P3HT:IDTBTC8-CN共混薄膜还表现出优异的力学性能，裂纹起始应变可以达到~70%，展示出其在可穿戴电子器件上的应用潜力。

图2. P3HT:IDTBTC8与P3HT:IDTBTC8-CN共混薄膜形貌

该工作证明了具有高前线分子轨道能级的共轭聚合物能够获得良好的电子传输性质并成为高效光伏受体材料，此外，该工作对设计与P3HT匹配的高效聚合物受体材料具有重要指导意义。相关结果以“8.30% Efficiency P3HT-Based All-Polymer Solar Cells Enabled by A Miscible Polymer Acceptor with High Energy Levels and Efficient Electron Transport”为题发表在SCIENCE CHINA Chemistry上，论文的第一作者为天津大学材料科学与工程学院的博士生梁紫琦，通讯作者为耿延候教授和李淼淼副教授。该项研究得到国家自然科学基金项目的支持以及北京同步辐射光源的机时支持。

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【通讯作者简介】

李淼淼，天津大学材料学院副教授，天津市“131”创新型人才培养工程第三层次人才。2016年在南开大学获理学博士学位。2016年9月进入天津大学材料学院先进高分子研究所工作，主要从事有机/聚合物太阳能电池材料与器件的研究。2018年11月-2019年11月在荷兰埃因霍温理工大学进行访问研究。第一作者论文曾入选中国百篇最具影响国际学术论文（2018年），研究成果曾入选中国光学十大进展（基础研究类，2018年）。

耿延候，天津大学材料学院讲席教授，中国科学院“百人计划”（2003）、“国家杰出青年基金”（2005）和国务院政府特殊津贴（2011）获得者，入选科技部“中青年科技创新领军人才”（2014），国家“万人计划”科技创新领军人才（2016）。1996年于中国科学院长春应用化学研究所获得博士学位。1998-2003年先后在香港科技大学、德国马普高分子研究所（“洪堡”奖学金获得者）和美国罗彻斯特大学从事访问研究。2003-2015年任中国科学院长春应用化学研究所研究员，2015年调入天津大学工作。主要研究方向包括：（1）有机/高分子半导体材料及其应用；（2）新型芳香稠环化合物及其共轭聚合物；（3）共轭聚合物的合成方法。

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