全聚合物太陽(yáng)能電池（APSC）具有優(yōu)異的光/熱穩(wěn)定性及柔韌拉伸性能，被認(rèn)為是柔性電源系統(tǒng)中最有潛力的應(yīng)用之一。得益于非富勒烯受體材料的快速發(fā)展，高性能聚小分子受體被不斷開(kāi)發(fā)。相比而言，高性能聚合物給體的發(fā)展相對(duì)滯后。如何設(shè)計(jì)合成新型聚合物給體材料，并調(diào)控給/受體分子間堆積和取向，闡明給/受體分子間相互作用與光伏性能之間的關(guān)系，將有力助推高效全聚有機(jī)太陽(yáng)能電池的發(fā)展。 

近日，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所研究員包西昌帶領(lǐng)的先進(jìn)有機(jī)功能材料與器件研究組在該領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究通過(guò)降低給體材料主骨架之間的電荷轉(zhuǎn)移態(tài)和醌類共振效應(yīng)，設(shè)計(jì)合成全新的超寬帶隙（Eopt = 2.24 eV）聚合物給體材料（圖1）。該材料具有較高消光系數(shù)且吸收光譜完美覆蓋最強(qiáng)太陽(yáng)輻射范圍，并與受體材料具有良好的混溶性和較強(qiáng)的分子間相互作用。該工作獲得了效率為15.3%和17.1%的兩組分和三組分APSC（與當(dāng)下經(jīng)典給體材料相媲美）。該研究為全聚有機(jī)太陽(yáng)能電池給體材料的發(fā)展提供了新穎的設(shè)計(jì)理念和材料結(jié)構(gòu)。相關(guān)成果發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）上。 

此外，共軛聚合物之間的強(qiáng)鏈間纏結(jié)易形成較差的相分離、低混合熵，難以調(diào)控活性層的結(jié)晶和形貌，進(jìn)而限制光伏性能的提升。對(duì)此，科研人員開(kāi)發(fā)的具有良好混溶性的聚合物給體，可以有效滲透到給/受體（D/A）聚集域中，優(yōu)化了全聚合物活性層內(nèi)的分子堆積和相分離，實(shí)現(xiàn)了激子和載流子的高效利用（圖2）。具有體異質(zhì)結(jié)（BHJ）結(jié)構(gòu)的三元APSC實(shí)現(xiàn)了17.64%的效率和高的厚膜耐受性。第三組分滲透可有效地促進(jìn)更多混合相的形成，并獨(dú)立地優(yōu)化D/A有序堆積，在構(gòu)建理想偽平面異質(zhì)結(jié)（PPHJ）活性層方面顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。具有PPHJ結(jié)構(gòu)的三元APSC獲得了17.94%的效率并表現(xiàn)出優(yōu)異的器件穩(wěn)定性。利用良好混溶性第三組分獨(dú)立誘導(dǎo)D/A有序堆積，在構(gòu)建高性能APSC方面頗具潛力。相關(guān)成果發(fā)表在《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science）上。

 

1.新分子策略構(gòu)筑高效聚合物給體材料

圖2.三元策略優(yōu)化吸光層分子聚

研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部國(guó)際合作項(xiàng)目和山東能源研究院專項(xiàng)資金等的支持。 

論文鏈接：1.https://doi.org/10.1002/adfm.202301701

2.https://doi.org/10.1039/D3EE00186E