【材料】南大陈尚尚课题组在导电高分子领域取得新进展

导读

发展清洁低成本的太阳能光伏技术，是实现我国“双碳”目标的重要途径与技术保障。近年来以薄膜光伏为代表的新型太阳能电池得到了快速发展，这其中有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池因其成本低、可溶液加工、柔性轻质的特点引起了学术界和工业界的广泛关注。在这两类光伏技术领域，以Phenyl-C61-butyric acid methyl ester （PCBM）为代表的可溶液加工富勒烯小分子材料都发挥着重要的作用。在有机光伏领域，PCBM作为电子受体材料与高分子给体材料形成体异质结从而增加激子的分离效率。在钙钛矿光伏领域，PCBM具有优异的电子传输性能，是当前极具产业化前景的反式（或p-i-n）结构钙钛矿太阳能电池中难以替代的电子传输材料。但是，PCBM在光热条件下趋于聚集和扩散，这会显著降低PCBM的电荷传输能力，从而影响薄膜太阳能电池的稳定性。然而，设计兼具优异电子传输性能和良好稳定性的富勒烯小分子取代物难度较大，是当前新型薄膜光伏领域的难题之一。

图1. PFBO-C12和PFBS-C12的合成路线。

针对该问题，南京大学化学化工学院陈尚尚课题组开发了一种新型的导电高分子材料—聚富勒烯（PFBO-C12），合成路线见图1。该材料是通过原子转移自由基聚合反应将带有烷基侧链的苯小分子与C60单体进行聚合得到，反应条件温和、产率可观、易于提纯，成本远低于当前的PCBM材料。该聚富勒烯材料具有很好的溶解度，并且表现出与PCBM接近的光吸收、能级和电子传输能力（图2）。

图2.基于PFBO-C12的有机太阳能电池材料的分子结构、能级和吸光。

将该聚富勒烯作为电子受体引入到全聚合物有机太阳能电池中，PFBO-C12一方面可以增强活性层的吸光和聚集结晶，促进空穴从受体材料向给体材料的转移，从而提高全聚合物太阳能电池的电流输出和填充因子，实现了18%的光电转换效率（图3）。另一方面，PFBO-C12因其自身稳定的高分子链结构和不易聚集扩散的特点，可提高全聚合物太阳能电池的光稳定性和机械柔性。

图3.基于PFBO-C12的有机太阳能电池的光电性质表征。

图4. 基于PFBS-C12聚富勒烯电子传输层的钙钛矿光伏器件的光伏性能表征。

此外，陈尚尚课题组同时设计了一种名为PFBS-C12的聚富勒烯电子传输材料，并首次应用在钙钛矿光伏器件中。通过器件测试发现，以PFBS-C12作为电子传输层材料的器件可以实现23.2%的高效率以及良好的器件重复性。在稳定性测试中，基于PFBS-C12的钙钛矿太阳能电池置于模拟太阳光下连续照射1300 小时以上，仍能保持初始效率的96%，而以PCBM作为电子传输层材料的器件在相同测试条件下，器件效率衰减了66%，显示了PFBS-C12电子传输层材料优异的稳定性。除了制备小面积的太阳能电池（8 mm2）以外，陈尚尚课题组还进一步利用室温刮涂法制作了大面积钙钛矿光伏组件，基于PFBS-C12电子传输层的钙钛矿光伏组件（53.6 cm2）实现了接近19%的光电转化效率，是目前基于溶液法制备电子传输层的钙钛矿光伏组件最高效率之一。

相关工作分别以“Improved Photovoltaic Performance and Robustness of All-Polymer Solar Cells Enabled by A Polyfullerene Guest Acceptor”和“High-Performance Inverted Perovskite Solar Devices Enabled by a Polyfullerene Electron Transporting Material”发表在Nature Communications（https://www.nature.com/articles/s41467-023-37738-9）和Angewandte Chemie（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202210610）上，论文第一/共一作者包括化学化工学院硕士生史晓雨、博士交流生殷俊力和于涵等，陈尚尚是以上工作的通讯作者，共同通讯作者包括香港城市大学朱宗龙教授、香港科技大学Kam Sing Wong教授和颜河教授。以上研究工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、配位化学国家重点实验室、高性能高分子材料与技术教育部重点实验室等单位的支持和资助。此外，该导电高分子材料的合成和应用已经申请发明专利，已有相关试剂公司在进行产业化放大，并通过了头部几家光伏企业的试用。如有合作意向，还望与陈老师联系（schen@nju.edu.cn）。

来源：南京大学化学化工学院