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  近日，Wiley出版集團(tuán)旗下期刊Advanced Energy Materials（《先進(jìn)能源材料》）在線(xiàn)發(fā)表了武漢大學(xué)高等研究院閔杰課題組通過(guò)無(wú)規(guī)共聚策略設(shè)計(jì)聚合物給體材料方面取得的最新研究成果，題為“Solution-Processed Polymer Solar Cells with over 17% Efficiency Enabled by an Iridium Complexation Approach”（DOI: 10.1002/aenm.202000590）。博士研究生汪濤和孫瑞為共同第一作者，閔杰研究員為獨(dú)立通訊作者，武漢大學(xué)高等研究院為第一署名通訊單位。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和武漢大學(xué)自主科研項(xiàng)目等的資助。

  有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率在過(guò)去三十年里不斷提高，目前在實(shí)驗(yàn)室條件下，基于共軛聚合物/非富勒烯小分子的單結(jié)器件效率已突破17%。近年來(lái)，非富勒烯受體材料的快速發(fā)展對(duì)與之匹配的聚合物給體材料提出了新的要求。在富勒烯體系中，許多文獻(xiàn)報(bào)道在高性能聚合物給體材料的骨架中引入少量重金屬絡(luò)合物或者其他結(jié)構(gòu)單元的策略可以有效調(diào)控材料的結(jié)晶性，優(yōu)化給受體相容性并改善相應(yīng)的活性層形貌，從而顯著提高了相關(guān)器件效率，特別是短路電流和填充因子。然而，目前含金屬絡(luò)合物的聚合物作為給體材料在非富勒烯體系中的研究相對(duì)較少，如何設(shè)計(jì)并合成更多適用于高性能非富勒烯受體的絡(luò)合物摻雜的聚合物給體材料是一個(gè)重要而又富有挑戰(zhàn)性的課題。

圖1. 聚合物PM6-Irx化學(xué)結(jié)構(gòu)式，有機(jī)太陽(yáng)能電池器件結(jié)構(gòu)以及PM6-Ir1:Y6器件的電流密度-電壓曲線(xiàn)。

  基于以上考慮，武漢大學(xué)高等研究院閔杰課題組科研人員首次將重金屬銥絡(luò)合物摻雜到高性能的聚合物給體材料PM6骨架中，并采取無(wú)規(guī)共聚方法，設(shè)計(jì)合成了一系列含有金屬銥絡(luò)合物的無(wú)規(guī)共聚物PM6-Irx（x = 0, 0.5, 1, 2.5和5，如圖1所示）。研究發(fā)現(xiàn)利用少量的金屬銥絡(luò)合物進(jìn)行摻雜，可以有效地調(diào)控聚合物PM6的分子平面性、結(jié)晶度、光吸收、能級(jí)以及改善與小分子受體材料Y6的相容性。進(jìn)一步，原子力顯微鏡（AFM）和二維掠入射廣角X射線(xiàn)散射（2D-GIWAXS）形貌表征結(jié)果揭示了引入重金屬銥絡(luò)合物在一定程度上會(huì)改變活性層中聚合物PM6的結(jié)晶性和分子排列，有效調(diào)節(jié)活性層的微觀(guān)形貌。結(jié)果是PM6-Ir1:Y6光伏體系獲得了最為理想的活性層形貌，能有效促進(jìn)電荷產(chǎn)生與分離，提升載流子遷移率并抑制載流子復(fù)合，從而顯著提升了器件的能量轉(zhuǎn)換效率；器件效率從PM6-Ir0:Y6參比器件的15.39%提高到PM6-Ir1:Y6器件的17.24%，并得到了中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的認(rèn)證（16.7%）。這項(xiàng)工作表明，從材料的設(shè)計(jì)角度來(lái)看，除了開(kāi)發(fā)新型材料結(jié)構(gòu)外，在現(xiàn)有高效聚合物給體材料中引入重金屬絡(luò)合物來(lái)精細(xì)調(diào)控活性層的微觀(guān)形貌，這也給突破現(xiàn)有高性能光伏體系光電轉(zhuǎn)換效率提供了一個(gè)行之有效的研究方法。

  相關(guān)論文發(fā)表在《先進(jìn)能源材料》雜志上。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202000590