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  近日，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系郭旭崗教授課題組在Advanced Functional Materials上發(fā)表利用超窄帶隙n型高分子構(gòu)筑高效穩(wěn)定的三元全聚合物太陽能電池的最新研究進(jìn)展。

  與其他類型的有機(jī)太陽能電池相比，由p型聚合物作為給體和n型聚合物作為受體的全聚合物太陽能電池受到了廣泛的關(guān)注，這主要是因?yàn)槠渚哂辛己玫臋C(jī)械性、可拉伸性和器件性能穩(wěn)定性。通過設(shè)計(jì)合成新的聚合物受體材料和優(yōu)化活性層形貌，全聚合物太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）已經(jīng)突破10%。然而，全聚合物太陽能電池效率仍然低于基于寬帶隙聚合物給體和窄帶隙小分子受體組成的有機(jī)太陽能電池(PCE > 17%)，這主要?dú)w根于目前缺乏在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)域具有強(qiáng)和寬的吸收的聚合物受體材料，從而全聚合物太陽能電池的短路電流密度(J_sc)較低。

  構(gòu)筑三元有機(jī)太陽能電池是提升電池效率的有效策略。三元有機(jī)太陽能電池由兩個(gè)給體材料和一個(gè)受體材料或一個(gè)給體材料和兩個(gè)受體材料所組成，不僅有利于拓寬電池的吸收光譜而且器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此被廣泛采用。然而，該策略在全聚合物太陽能電池中的應(yīng)用十分有限，這是因?yàn)槿狈Ω咝实恼瓗毒酆衔锸荏w材料和多元聚合物共混造成的形貌難以控制的挑戰(zhàn)。考慮到全聚合物太陽能電池具有良好的機(jī)械性和形貌穩(wěn)定性等方面的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展高效率的三元全聚合物太陽能電池對(duì)全聚合物太陽能電池發(fā)展十分重要。

圖1（a）文獻(xiàn)報(bào)道具有代表性的聚合物給體；（b）文獻(xiàn)報(bào)道具有代表性的聚合物受體及其帶隙、全聚合物太陽能電池的短路電流、能量轉(zhuǎn)換效率和本論文報(bào)道的工作。

  目前，只有極少數(shù)三元全聚合物太陽能電池體系的PCE超過6%，其最高效率甚至低于兩元全聚合物太陽能電池的效率。在眾多聚合物受體中，基于萘二酰亞胺（NDI）和苝二酰亞胺（PDI）的聚合物是用于構(gòu)建三元全聚合物太陽能電池最常見的受體材料。圖1顯示了具有代表性的聚合物給體和聚合物受體組成的三元全聚合物太陽能電池體系。由圖可見，目前文獻(xiàn)報(bào)道的這些三元體系中聚合物受體的帶隙較寬，其制備的全聚合物太陽能電池的J_sc均< 20 mA cm^-2，PCE均< 11%。這些三元全聚合物太陽能電池在可見光區(qū)域具有較強(qiáng)的吸收，但是在近紅外區(qū)域較差的吸收限制了電流和效率的提高。

  最近，郭旭崗教授課題組在《Advanced Materials》中首次報(bào)道了具有超窄帶隙(1.38 eV)的高分子半導(dǎo)體受體材料DCNBT-TPC。該半導(dǎo)體在長(zhǎng)波區(qū)域具有很強(qiáng)的吸收，打破了長(zhǎng)期以來限制高分子受體材料在兩元全聚合物電池中性能的瓶頸。在此為基礎(chǔ)，該課題組將該高分子半導(dǎo)體與寬帶隙的PBDB-T和中等帶隙的PTB7-Th共混制備的三元全聚合物電池獲得了21.9 mA cm^-2的J_sc和12.1%的能量轉(zhuǎn)換效率（圖2），打破了三元全聚合物太陽能電池的效率記錄。性能的提升主要受益于三元體系吸收的提升和對(duì)載流子更為有效地提取，加少了電荷的復(fù)合。這表明利用超窄帶隙的聚合物受體材料與相容的聚合物給體材料共混制備三元全聚合物太陽能電池是推進(jìn)全聚合物太陽能電池發(fā)展的有效途徑。同時(shí)，該三元全聚合物太陽能電池取得了比二元全聚合物太陽能電池更為穩(wěn)定的器件性能。

圖2 （a）PBDB-T、PTB7-Th和DCNBT-TPC的分子結(jié)構(gòu)示意圖；（b）PBDB-T、PTB7-Th和DCNBT-TPC在薄膜中的紫外-可見吸收光譜圖；（c）兩元和三元全聚合物太陽能電池電壓-電流特征曲線。

  該論文以題為“Highly Efficient Ternary All-Polymer Solar Cells with Enhanced Stability”發(fā)表在Advanced Functional Materials上。論文第一作者為南方科技大學(xué)博士后馮奎。通訊作者為南方科技大學(xué)郭旭崗教授，共同通訊作者為韓國(guó)高麗大學(xué)Han Young Woo教授。該工作得到了中國(guó)博士后科學(xué)基金、深圳市基礎(chǔ)研究基金的資助。

  論文鏈接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202008494