化学所侯剑辉团队连发AM、Angew：高效有机光伏研究获进展

01

AM：一种新聚合物给体使二元全聚合物有机光伏电池具有18%的效率和出色的机械强度

聚合小分子受体的发展已将全聚合物有机光伏 (OPV) 电池的功率转换效率 (PCE) 提高到 17%。然而，仍然缺乏适用于全聚合物OPV电池的聚合物给体，限制了其PCE的进一步改进。在此，化学所侯剑辉研究员和崔勇博士等人设计了一种名为 PQM-Cl 的新型聚合物给体，并探索了其光伏性能。PQM-Cl 表面的负静电势和低平均局部电离能量分布可实现高效的电荷产生和转移过程。当与常用的聚合物受体 PY-IT 混合时，基于 PQM-Cl 的器件提供了令人印象深刻的 18.0% 的 PCE 和 80.7% 的出色填充因子，这两者都是全聚合物 OPV 电池的最高值。相关测量表明，基于 PQM-Cl 的薄膜具有优异的机械性能和柔韧性。因此，制造了基于 PQM-Cl 的柔性光伏电池，并显示出 16.5% 的优异 PCE 和高机械稳定性。研究结果表明，PQM-Cl为高效全聚合物 OPV 电池的聚合物给体设计提供了见解。该工作以题为“A new polymer donor enables binary all-polymer organic photovoltaic cells with 18% efficiency and excellent mechanical robustness”发表在《AM》上。

【文章要点】

一、分子的设计思路

在之前的研究中，静电势(ESP)是评价给体和受体之间分子间相互作用的有效工具。作者计算了QM-Cl的三聚体来预测聚合物PQM-Cl的基本性质。三聚体的ESP分布与QM-Cl几乎相同，显示了其给电子性质。该聚合物往往具有较低的最高占据分子轨道(HOMO)能级，为-4.93 eV，吸收起始点为600 nm，它适合于与普通受体的结合。因此，作者合成了聚合物PQM-Cl。在图1c中，PQM-Cl薄膜在300~620 nm范围内的吸收，带隙为2.0 eV，与计算结果一致。

图1. 器件的分子结构与性质

二、器件的性能研究

图2. 光伏器件的性能研究

为了探索光伏性能，作者制备了ITO/PEDOT：PSS/活性层/PDINN/Ag结构的全聚合物OPV电池(图2a)。基于PQM-Cl：PY-IT的电池提供了高J SC（24.3 mA cm -2）和0.920 V的V OC，其FF达到了80.7%，PCE显著提高到18.0%。令人印象深刻的PCE和FF都是迄今为止全聚合物OPV电池的最高值(图2c)。为了深入了解PQM-Cl基电池的更好性能，作者评估了这些器件中的电荷产生动力学。Urbach能量与能量紊乱有关，其能量越低，分子间相互作用越好。与基于PBDB-TF：PY-IT的电池(29.7 meV)相比，基于PQM-Cl：PY-IT的电池的Urbach能量降低了25.1 meV，这可能有助于电荷传输过程。此外，作者通过测量激子的解离概率(P diss)研究了电荷的产生和提取。基于PQM-Cl：PY-IT的最佳电池的P diss为97.2%，明显高于基于PBDB-TF：PY-IT的电池（93.1%）。增加的P diss导致了PQM-Cl：PY-IT基电池的高J SC和FF。

原文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202205009

02

Angew综述：单结有机太阳能电池的最新进展

近年来，单结有机太阳能电池（OSCs）取得了重大进展。材料设计和器件优化方面的创新已将功率转换效率提高到 19% 以上。在这篇综述中，化学所侯剑辉研究员课题组基于最近的进展，讨论了调整吸收光谱、能级和分子间聚集的分子设计策略，并强调了分子静电势在减少能量损失中的作用。然后，作者介绍了四种由不同给体：受体组合组成的OSCs的最新进展：聚合物给体：小分子受体体系、全聚合物体系、全小分子体系和小分子给体：聚合物受体体系OSCs。最后，作者讨论了OSCs在实际应用中的挑战，包括材料成本、稳定性和多功能集成。该综述以题为“Recent Advances in Single-Junction Organic Solar Cells”发表在《Angew》上。

【文章要点】

一、非富勒烯受体分子设计思路

在过去的几年中，许多具有 A-D-A结构的NFAs已经被开发出来(图1a)。通过调制分子内电荷转移（ICT）效应，可以很大程度地改变吸收光谱和能级(图1b)。通过将氟和氯等卤素原子引入端基或在给体部分添加氧原子，可以增强ICT效应。相反，ICT效应可以通过降低端基的吸电子特性来抑制。通过这些分子设计策略，ITIC衍生物的吸收光谱可以覆盖~400-1000 nm的整个范围，并对HOMO/LUMO能级进行相应的调整。烷基链工程可以有效地调整分子间的堆积，在电荷传输和溶液的可处理性之间取得平衡。自2019年以来，Y6的发展迅速增加了PCE。而Y6中包含两种类型的烷基链：吡咯单元的内烷基链和双噻吩的外侧链(图1c)。对于Y6烷基链的调整有助于进一步优化PCE性能。

图1. 非富勒烯受体分子结构及设计思路

二、分子静电势和能量损失

静电势(ESP)是表示分子系统中每个原子核和每个电子的电荷分布的表面性质。对于有机半导体，ESP是π电子的离域指标。不对称化学反应和非共价相互作用都与ESP的分布高度相关。在作者之前的研究中，系统地研究了常见的OSC分子的ESP及其对E loss的影响。作者发现给体和受体的ESP分布有显著差异。相比之下，NFAs的ESP值比富勒烯高得多，有利于在低Eloss条件下电荷的产生。作者进一步研究发现微调ESP是设计低损耗的OSC材料的关键。许多设计方法也已经被开发出来，并取得了显著的成功。

图2. 分子静电势与能量损失研究

三、多功能集成

图3. 多功能有机太阳能电池

为了使OSCs更具竞争力，必须充分利用其独特的性能。例如，光响应范围的巨大可调性使一些有前途的应用成为可能，如半透明器件、近红外(NIR)有机光电探测器(OPDs)和室内光伏电池。半透明的光伏电池在可见光范围内应具有较高的透光率。在NIR区域，太阳光子的利用已经变得越来越重要。除了上述应用外，利用无毒、轻便和柔性，开发更多的OSCs功能整合也是非常重要的。

原文链接：
https://doi.org/10.1002/anie.202209021

来源：高分子科学前沿

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