近日，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院王金亮教授團(tuán)隊(duì)在新型聚合物受體材料創(chuàng)制及其在高性能全聚合物太陽能電池構(gòu)筑方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表在材料類國(guó)際頂級(jí)期刊《 Materials Science and Engineering: R: Reports 》（影響因子IF = 31.6）上，題為“Electron-deficient fused dithieno-benzothiadiazole-bridged polymer acceptors for high-efficiency all-polymer solar cells with low energy loss”。北京理工大學(xué)為第一通訊單位，化學(xué)與化工學(xué)院王金亮教授、安橋石特別研究員、四川大學(xué)彭強(qiáng)教授、徐小鵬教授、華南理工大學(xué)吳宏濱教授為共同通訊作者?；瘜W(xué)與化工學(xué)院博士生白海瑞和張恒以及四川大學(xué)博士生孟惠峰和李銀鳳為該論文的共同第一作者。

“雙碳”戰(zhàn)略下，綠色低碳能源的創(chuàng)新開發(fā)已成為研究熱點(diǎn)。全聚合物太陽能電池（all-polymer solar cells, all-PSCs）作為一種實(shí)用型綠色光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，具有輕、薄、柔和易加工等諸多優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛關(guān)注。由于聚合物受體材料具有強(qiáng)分子鏈間纏繞能力與高的熱穩(wěn)定性，相應(yīng)的器件具有強(qiáng)的機(jī)械拉伸性能和穩(wěn)定的活性層形貌，在柔性可穿戴便捷式電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。然而由于全聚合物太陽能電池受體材料匱乏與活性層形貌敏感且難以調(diào)控，其整體效率落后于其它類型電子給受材料構(gòu)筑的有機(jī)太陽能電池。因此，如何高效合成新穎聚合物受體材料和制備出高效率兼具穩(wěn)定性好的全聚合物太陽能電池，是該領(lǐng)域目前亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。

圖1. 聚合物受體的分子結(jié)構(gòu)和本征光電性質(zhì)圖

針對(duì)上述的關(guān)鍵科學(xué)問題，王金亮教授團(tuán)隊(duì)在前期重原子取代的受體材料的創(chuàng)制及其在高性能有機(jī)太陽能電池中的應(yīng)用研究工作( Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202313016； Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 19241, ESI高被引論文; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202216340，ESI高被引論文; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202209454等)的基礎(chǔ)上，采用聚合小分子受體化的構(gòu)筑策略，以經(jīng)典的“Y系列”小分子受體作為基本主受體合成砌塊A1，分別以完全稠合的二噻吩苯并噻二唑DTBT單元以及非完全稠合的苯并噻二唑連二噻吩DT-BT作為缺電子橋接單元A2，高效合成A1-A2型聚合物受體材料PY-DTBT和PY-DT-BT，以及相應(yīng)的基于富電子噻吩橋接單元的經(jīng)典聚合物受體材料PY-IT（見圖1）。進(jìn)而系統(tǒng)探究不同電子效應(yīng)以及稠合程度的橋接單元對(duì)聚合物受體光電行為、分子間堆積以及相應(yīng)全聚合物太陽能電池的光伏性能和能量損失的影響和內(nèi)在機(jī)制。

圖2. PM6/聚合物受體共混薄膜的形貌圖

圖3. 全聚合物有機(jī)太陽能電池的性能與能量損失圖

與PY-IT相比，A1-A2型聚合物受體PY-DTBT和PY-DT-BT純膜表現(xiàn)出略微藍(lán)移的吸收，但吸收系數(shù)更高，能級(jí)略微下移。與聚合物受體PY-DT-BT相比，在聚合物主鏈中加入完全稠合的缺電子結(jié)構(gòu)DTBT的A2橋接單元，促進(jìn)了分子內(nèi)電子離域，增強(qiáng)聚合物受體PY-DTBT的平面度，從而有助于更好的結(jié)晶度和獲得高載流子遷移率特點(diǎn)。PM6/PY-DTBT共混薄膜具有均勻分布的原纖維網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，具有適當(dāng)?shù)南喾蛛x和更好的薄膜結(jié)晶取向，可以促進(jìn)電荷的產(chǎn)生和提取，并在相應(yīng)的全聚合物電池中實(shí)現(xiàn)更好的電荷遷移率平衡，抑制復(fù)合，從而提高了器件的短路電流密度 J SC和填充因子FF（見圖2）。最終，基于PM6/PY-DTBT的二元全聚合物太陽能電池獲得17.58% 的光電能量轉(zhuǎn)換效率，優(yōu)于基于PM6/PY-IT與 PM6/PY-DT-BT器件效率。更重要的是，PM6/PY-DTBT的二元全聚合物太陽能電池與其他全聚物電池相比，也獲得了非常低的能量損失（0.51 eV），實(shí)現(xiàn)了較高的開路電壓。此外，以PY-IT作為第三組分進(jìn)一步優(yōu)化形貌，制備了基于PM6/(PY-DTBT90%:PY-IT10%)的三元全聚合物太陽能電池獲得了18.51%的優(yōu)異光電能量轉(zhuǎn)換效率，這是報(bào)道時(shí)基于A1-A2型聚合物受體的全聚合物太陽能電池最高光電轉(zhuǎn)換效率之一（見圖3）。這項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)了將完全稠合的二噻吩苯并噻二唑DTBT用作缺電子橋鏈單元構(gòu)筑聚合物受體材料是開發(fā)優(yōu)異的A1-A2型聚合物受體的一種簡(jiǎn)單有效的策略，這為實(shí)現(xiàn)全聚合物太陽能電池兼具高效率和低能量損失的特質(zhì)提供了新思路。

上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、國(guó)家級(jí)青年人才項(xiàng)目、全國(guó)博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃、北京理工大學(xué)特立青年學(xué)者計(jì)劃、北京理工大學(xué)科技創(chuàng)新計(jì)劃特立學(xué)生科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目以及北京市光電轉(zhuǎn)換材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和北京理工大學(xué)分析測(cè)試中心的支持。另外北京工商大學(xué)李熊教授團(tuán)隊(duì)以及上海交通大學(xué)的劉烽教授團(tuán)隊(duì)給予了大力支持。