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  全聚合物太陽(yáng)能電池（all-PSCs）作為有機(jī)太陽(yáng)能電池的重要一類(lèi)，其光吸收層（電子給體/電子受體）全部由聚合物材料組成。相比于基于小分子受體（富勒烯/非富勒烯）的有機(jī)太陽(yáng)能電池，全聚合物太陽(yáng)能電池具有更優(yōu)異的器件性能穩(wěn)定性和機(jī)械性能，在柔性、可穿戴電子領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，因此，發(fā)展高效的all-PSCs具有重要的科學(xué)意義和商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。目前高性能聚合物電子受體材料的缺乏是制約all-PSCs發(fā)展的瓶頸，一方面經(jīng)典的稠環(huán)芳香酰亞胺基聚合物受體具有高遷移率但對(duì)近紅外光的吸收有限；另一方面，盡管近來(lái)基于稠環(huán)電子受體的聚合物受體材料展現(xiàn)出很強(qiáng)的近紅外光吸收能力，但這類(lèi)材料電子遷移率相對(duì)較低。

圖1. (a) 區(qū)域結(jié)構(gòu)不規(guī)整的聚合物受體材料L14與本工作中區(qū)域結(jié)構(gòu)規(guī)整的聚合物受體L15和MBTI; (b)和(c) 聚合物的吸收光譜; (d) 聚合物的前線分子軌道能級(jí)。

  針對(duì)此，南方科技大學(xué)郭旭崗教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中科院福建物構(gòu)所鄭慶東研究員和廣州大學(xué)牛利教授，結(jié)合稠環(huán)雙噻吩酰亞胺和稠環(huán)電子受體兩類(lèi)缺電子構(gòu)筑模塊的優(yōu)勢(shì)，研發(fā)出具有窄帶隙、高遷移率的新型聚合物受體材料L15和MBTI（圖1a）。相對(duì)于區(qū)域結(jié)構(gòu)不規(guī)整的聚合物受體L14，具有區(qū)域結(jié)構(gòu)規(guī)整性的L15使得聚合物展現(xiàn)出更優(yōu)的吸收光譜（圖1b和1c）和更高的主鏈堆積有序性（圖2e和3f），L15表現(xiàn)出該類(lèi)受體材料的最高電子遷移率（圖2a，2b和2c）�；贚15的all-PSCs取得了15.2%的能量轉(zhuǎn)換效率（圖3a-c），該效率是雙組分all-PSCs的最高值之一（圖3d）。更為重要的是，含有苯并噻吩核心的MBTI具有比 L15 更高的前線分子軌道能級(jí)，與 L15 和聚合物給體 PM6 形成梯度能級(jí)排列（圖1d）�；诖耍髡咧苽淞巳M分 all-PSCs，其中 MBTI 作為第三組份引入到 PM6:L15 主體系。受益于進(jìn)一步優(yōu)化的混合膜形貌（圖4和5），該all-PSCs的能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 16.2%（圖3d）。

圖2. (a)和(b) L14和L15在有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件中的轉(zhuǎn)移曲線; (c) L14和L15的SCLC電子遷移率曲線; (e)和(f) L14和L15高分子薄膜的一維和二維掠入射廣角X射線散射(GIWAXS)圖。

圖3. (a-d) 全聚合物太陽(yáng)能電池的性能特征曲線及效率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù); (e) 全聚合物太陽(yáng)能電池的J_ph–V_eff曲線; (f) 全聚合物活性層的SCLC電子遷移率曲線。

圖4. (a-d) 聚合物純膜和混合膜的AFM高度圖; (e-h) 聚合物純膜和混合膜的AFM相圖;(i-l) 聚合物純膜和混合膜的TEM圖。

圖5.二元和三元體系高分子混合膜的(a)二維和(b)一維GIWAXS圖。

  最近該工作以“Regioregular Narrow-Bandgap n-Type Polymers with High Electron Mobility Enabling Highly Efficient All-Polymer Solar Cells.”為題在線發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Adv. Mater. 2021, 2102635.，影響因子: 30.85）。該項(xiàng)研究為發(fā)展高性能聚合物受體材料提供了新的設(shè)計(jì)思路和材料基礎(chǔ)。韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院的Bumjoon Kim研究員為本工作提供形貌表征等技術(shù)支持。

  該論文的第一作者為孫會(huì)靚博士和劉斌博士，通訊作者為郭旭崗教授，牛利教授和鄭慶東研究員，Bumjoon Kim研究員。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202102635