南科大郭旭岗教授团队和福建物构所郑庆东研究员、广大牛利教授等合作AM：高迁移率、窄带隙聚合物受体材料及全聚合物太阳能电池

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全聚合物太阳能电池（all-PSCs）作为有机太阳能电池的重要一类，其光吸收层（电子给体/电子受体）全部由聚合物材料组成。相比于基于小分子受体（富勒烯/非富勒烯）的有机太阳能电池，全聚合物太阳能电池具有更优异的器件性能稳定性和机械性能，在柔性、可穿戴电子领域具有巨大的应用潜力，因此，发展高效的all-PSCs具有重要的科学意义和商业应用价值。目前高性能聚合物电子受体材料的缺乏是制约all-PSCs发展的瓶颈，一方面经典的稠环芳香酰亚胺基聚合物受体具有高迁移率但对近红外光的吸收有限；另一方面，尽管近来基于稠环电子受体的聚合物受体材料展现出很强的近红外光吸收能力，但这类材料电子迁移率相对较低。

图1. (a) 区域结构不规整的聚合物受体材料L14与本工作中区域结构规整的聚合物受体L15和MBTI; (b)和(c) 聚合物的吸收光谱; (d) 聚合物的前线分子轨道能级。

针对此，南方科技大学郭旭岗教授团队联合中科院福建物构所郑庆东研究员和广州大学牛利教授，结合稠环双噻吩酰亚胺和稠环电子受体两类缺电子构筑模块的优势，研发出具有窄带隙、高迁移率的新型聚合物受体材料L15和MBTI（图1a）。相对于区域结构不规整的聚合物受体L14，具有区域结构规整性的L15使得聚合物展现出更优的吸收光谱（图1b和1c）和更高的主链堆积有序性（图2e和3f），L15表现出该类受体材料的最高电子迁移率（图2a，2b和2c）。基于L15的all-PSCs取得了15.2%的能量转换效率（图3a-c），该效率是双组分all-PSCs的最高值之一（图3d）。更为重要的是，含有苯并噻吩核心的MBTI具有比 L15 更高的前线分子轨道能级，与 L15 和聚合物给体 PM6 形成梯度能级排列（图1d）。基于此，作者制备了三组分 all-PSCs，其中 MBTI 作为第三组份引入到 PM6:L15 主体系。受益于进一步优化的混合膜形貌（图4和5），该all-PSCs的能量转换效率高达 16.2%（图3d）。

图2. (a)和(b) L14和L15在有机场效应晶体管器件中的转移曲线; (c) L14和L15的SCLC电子迁移率曲线; (e)和(f) L14和L15高分子薄膜的一维和二维掠入射广角X射线散射(GIWAXS)图。

图3. (a-d) 全聚合物太阳能电池的性能特征曲线及效率统计数据; (e) 全聚合物太阳能电池的J_ph–V_eff曲线; (f) 全聚合物活性层的SCLC电子迁移率曲线。

图4. (a-d) 聚合物纯膜和混合膜的AFM高度图; (e-h) 聚合物纯膜和混合膜的AFM相图;(i-l) 聚合物纯膜和混合膜的TEM图。

图5.二元和三元体系高分子混合膜的(a)二维和(b)一维GIWAXS图。

最近该工作以“Regioregular Narrow-Bandgap n-Type Polymers with High Electron Mobility Enabling Highly Efficient All-Polymer Solar Cells.”为题在线发表在《先进材料》（Adv. Mater. 2021, 2102635.，影响因子: 30.85）。该项研究为发展高性能聚合物受体材料提供了新的设计思路和材料基础。韩国科学技术研究院的Bumjoon Kim研究员为本工作提供形貌表征等技术支持。

该论文的第一作者为孙会靓博士和刘斌博士，通讯作者为郭旭岗教授，牛利教授和郑庆东研究员，Bumjoon Kim研究员。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202102635

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