中科院青能所AFM：基于氰酸酯噻吩的低成本聚合物给体的高效有机太阳能电池研究

溶液处理有机太阳能电池(OSCs)代表了下一代非常有前途的光伏技术，具有灵活、轻量化、大规模卷对卷制造可行性和半透明等特点。有机太阳能电池(OSCs)的光伏性能已经取得了显著的进步，其中Y系列受体的发展更是有显著的进步，单结OSCs的功率转换效率(PCE)已超过19%。但目前对低成本、结构简单和Y6系列匹配聚合物给体的研究却很少；这些材料通常覆盖最强的太阳辐射，这对提高设备性能至关重要。因此，开发新型的、易于获得的聚合物给体具有重要的实际应用价值。

在该项工作中，报道了一种多功能的建筑模块，3-氰基酯噻吩，它具有结构简单和合成可及性的特点，用于构建高性能和经济实惠的光电器件。然而，基于PBTCl0-TCA和PBTCl100-TCA的原始有机太阳能电池并没有展现出理想的光电转换效率，但是其电压差异明显。有趣的是，在活性层中具有相似结构和良好相容性的两种光电器件很容易形成类似合金相，这可以有效提高三元器件的效率至14.17%，同时保持较高 J SC，并显著改善 V OC和填充因子（FF）。受到三元策略成功的启发，研究者进一步对具有相同组成的三元聚合物进行了比较研究，并在PBTCl50-TCA:Y6二元器件中实现了超过16%的光电转换效率，这是基于三元聚合物的有吸引力的结果。此外，研究者使用最先进的非富勒烯受体BTP-eC9，还实现了更为优异的17.14%的PCE。PBTCl50-TCA与目前使用的共轭聚合物完全可替换，这表明该低成本聚合物是有机太阳能电池中一具有潜力的替代品。更令人感兴趣的是，氰酸酯链和随机三元聚合不仅对聚合物给体最高占据分子轨道级别和内在聚集起到协同调节作用，而且对给体/受体相互作用和相容性也起到调节作用。

综上，这项研究提供了一种可行的方法来调控器件 V OC、分子堆积和形态结构，以实现成本效益高的有机太阳能电池。同时，这项工作还为三元共聚策略和三元共混策略之间提供了一些内在联系，为高性能有机光伏研究提供了指导意义。论文第一作者为中国科学院青岛生物能源与过程所博士后王俊杰，山东科技大学杜正坤博士和中国科学院青岛生物能源与过程所包西昌研究员为该文章的通讯作者。上述研究工作得到了山东省自然科学基金、青岛市博士后研究项目和山东能源研究院等项目的资助。

图1 PBTClx-TCA的合成路线

图2 三种不同聚合物的光伏性能

课题组组长简介

包西昌，博士，研究员，博士生导师。2010年于中科院上海技物所获得博士学位。同年6月加入中科院青岛生物能源与过程研究所。近年来致力于光电材料与器件、功能复合材料、光伏应用等方面研究，并取得了多项原创性研究成果。主持参与军委科技委，科技部国际合作、国家自然基金、中科院，山东省重大项目、自主部署等项目10余项。迄今已在Adv Mater.; Energy Environ. Sci.; Adv Energy Mater., ACS Energy Lett., Adv. Funct. Mater., Cell Rep. Phys. Sci., Innovation, Nano Energy, Chem. Mater., J. Mater. Chem. A, Macromolecules,等期刊上发表文章200余篇，并授权中国发明专利6项。多次荣获优秀导师称号，指导的研究生获得中科院院长奖、山东省优秀毕业生、国家奖学金（多人次）等荣誉。

课题组官网：
http://afm.qibebt.ac.cn/

来源：高分子科学前沿

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