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  全聚合物太陽能電池（all-polymer solar cells）作為有機(jī)太陽能電池的重要一類，其光吸收層（電子給體/電子受體）全部由高分子半導(dǎo)體材料組成。相比于基于小分子受體（富勒烯/非富勒烯）的有機(jī)太陽能電池，全聚合物太陽能電池表現(xiàn)出優(yōu)異的器件性能穩(wěn)定性和機(jī)械性能，在柔性、可穿戴電子器件領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。因此，發(fā)展高效的全聚合物太陽能電池具有重要的科學(xué)意義和商業(yè)應(yīng)用價值。但是由于高性能n型高分子受體材料的缺乏，全聚合物太陽能電池對長波長區(qū)域的太陽光的吸收不足，同時，全聚合物太陽能電池通常難以平衡短路電流和開路電壓。因此，迄今為止，只有少數(shù)n型高分子受體材料可以取得大于8%的能量轉(zhuǎn)化效率（圖1）。

圖1. 具有代表性的基于酰亞胺功能化芳烴及硼氮配位鍵的n型高分子受體材料，包括: (a) 基于經(jīng)典的萘二酰亞胺(NDI)和苝二酰亞胺PDI的高分子受體; (b) 基于硼氮配位鍵的高分子受體；(c) 基于雙噻吩酰亞胺的高分子受體。

  最近，南方科技大學(xué)郭旭崗教授團(tuán)隊聯(lián)合瑞典林雪平大學(xué)高峰教授，香港科技大學(xué)顏河教授團(tuán)隊利用自主研發(fā)的雙錫化雙噻吩酰亞胺（BTI）與雙溴化的稠環(huán)電子受體（FREA）聚合，制備了具有受體-受體（A-A）骨架、窄帶隙的n型高分子受體材料L14（圖2）。L14有效地結(jié)合了FREA小分子和A-A型聚合物的優(yōu)勢，在長波長區(qū)域(700-900 nm)具有高吸光系數(shù)且前線分子軌道能級相對于給體-受體(D-A)型高分子受體材料L11明顯降低（CV，UPS，DFT結(jié)果一致表明），使得L14的電子傳輸能力得到有效提升（圖3）。令人驚喜的是，BTI的引入使得基于L14的全聚合物太陽能電池器件的發(fā)光量子效率取得了極大提高，非輻射能量損失僅為0.22 eV。因此，盡管L14與聚合物給體PM6間能極差相對L11與PM6增大，但并沒有損失太陽能電池的開路電壓，基于L14的全聚合物太陽能電池獲得了14.3%的能量轉(zhuǎn)換效率（圖2和圖4），是該類電池的最高值之一。

圖2. (a) 受體-受體型高分子受體材料L14和相應(yīng)的受體-給體型受體材料L11的分子結(jié)構(gòu)及開路電壓-短路電流曲線；(b) 具有代表性的能量轉(zhuǎn)化效率大于8%的全聚合物太陽能電池的效率和開路電壓值。

圖3. (a-d) n型高分子受體材料L11和L14在有機(jī)場效應(yīng)晶體管器件中的轉(zhuǎn)移和輸出曲線; (e-f) L11和L14高分子薄膜的一維和二維掠入射廣角X射線散射(GIWAXS)圖。

圖4. (a-c) 基于高分子受體材料L11和L14的全聚合物太陽能電池的性能曲線；(d) Y6:L11和Y6:L14混合膜的遷移率測試；(e-f) Y6:L11和Y6:L14混合膜的超靈敏EQE及電致發(fā)光EQE曲線。

  目前該工作以“A Narrow Bandgap n-Type Polymer with an Acceptor-Acceptor Backbone Enabling Efficient All-Polymer Solar Cells”為題在線發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials, 2020, DOI:10.1002/adma.202004183，影響因子: 27.398）。該工作中采用的“小分子受體聚合物化”策略是中科院化學(xué)所李永舫院士和北京化工大學(xué)張志國教授于2017年率先提出（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 13503; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 10.1002/anie.202009666）。近3年，隨著FREA結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化（尤其是中南大學(xué)鄒應(yīng)萍教授發(fā)明的Y系列分子，Joule 2019, 3, 1140）使得全聚合物太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率取得了大幅度提升。相比于已報道的D-A型聚合物，郭旭崗團(tuán)隊研究成果有效地結(jié)合小分子聚合化的策略與A-A型聚合物的巨大潛力，為發(fā)展高性能n型高分子受體材料提供了新的思路。天津大學(xué)葉龍教授和中科院重慶研究院闞志鵬研究員為本工作提供形貌表征等技術(shù)支持。

  原文鏈接：https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202004183

郭旭崗教授簡介：

  郭旭崗教授，于1999年獲得蘭州大學(xué)本科學(xué)位，2002年獲得蘭州大學(xué)碩士學(xué)位，2009年獲得美國肯塔基大學(xué)博士學(xué)位，2009年7月至2012年10月在美國西北大學(xué)進(jìn)行博士后研究工作。2012年11月加入南方科技大學(xué)。2013年入選深圳市孔雀計劃B類人才，2018年被聘為廣東省珠江學(xué)者特聘教授。主要研究領(lǐng)域為有機(jī)半導(dǎo)體材料與光電器件，在n型高分子半導(dǎo)體材料與光電器件領(lǐng)域做出了國際領(lǐng)先水平的研究成果。以第一或者通訊作者身份在Chemical Reviews、Nature Photonics、Nature Materials、Nature Energy、Chem、Journal of the American Chemical Society（10篇）、Angewandte Chemie International Edition（3篇）、Advanced Materials（8篇）、Science China Chemistry、Science Bulletin等期刊發(fā)表論文100余篇，多項研究成果被中國科學(xué)雜志社，Science Daily、Phys.org、Chemistry World等媒體報道。