兰州交通大学夏养君教授课题组Chem. Eng. J.: 无规氮氧自由基共轭聚合物添加剂使有机太阳能电池实现了19.32%的效率

第一作者：郭鹏智

通讯作者：向永生*，王二刚*，夏养君*

单位：中国石油兰州化工研究中心，瑞典查尔姆斯理工大学，兰州交通大学

有机太阳能电池（OSCs）凭借低成本、柔性和可溶液加工等优势成为可再生能源领域的研究热点。其核心依赖于电子给体与受体共混薄膜的光电转换过程。近年来，非富勒烯受体的引入显著降低了界面能量偏移与能量无序性，使OSCs认证效率突破20%。然而，与传统无机太阳能电池相比，OSCs仍存在效率差距，主要受限于非辐射能量损失。此类损失源于电荷转移态的三线态激子与自由电荷的复合，以及三线态-电荷湮灭过程。已有研究通过形貌调控、分子工程及第三组分引入等策略抑制非辐射损失，但材料普适性与优化精度仍存挑战。近期，氮氧自由基共轭聚合物（RCPs）作为新型添加剂受到关注。RCPs通过淬灭单线态氧或敏化剂的三线态激子，可减少非辐射复合路径。前期开发的交替结构RCPs GDTA在PM6:Y6体系中将效率从15.8%提升至17.6%，但交替聚合物的固定单体比例限制了其在多样化材料体系中的适配性。

近日，兰州交通大学国家绿色镀膜技术与装备工程技术研究中心郭鹏智博士与材料科学与工程学院/甘肃省有机半导体材料与应用技术工程研究中心夏养君教授课题组通过调节自由基单元BTMP与共轭骨架BDT单元的摩尔投料比，合成系列无规氮氧自由基共轭聚合物（R-RCPs）（图1）。将R-RCPs作为固体添加剂引入OSCs活性层中，通过精细的工艺优化，发现最佳添加含量的R-RCPs可更有效抑制电荷复合与能量损失（图2和3）。如PM6:Y6体系中添加R-GDTA80后，效率提升至17.98%；D18-Cl:L8-BO体系中R-GDTA90的加入使效率突破19.32%，显著优于交替RCPs GDTA添加剂的18.78%。此外，R-RCPs通过优化三线态激子猝灭路径，延长器件光照稳定性（600小时后仍保持80%以上初始效率）（图4）。这一策略不仅为OSCs的效率突破提供了新思路，也为自由基功能化材料的设计奠定了理论基础。

相关研究成果最新发表于国际Top期刊《Chemical Engineering Journal》上，题为“Random nitroxide radical conjugated polymer additives enable 19.32% efficiency of organic solar cells”。文章由兰州交通大学国家绿色镀膜技术与装备工程研究中心郭鹏智博士为第一作者完成，兰州交通大学夏养君教授、中国石油兰州化工研究中心向永生教授和查尔姆斯理工大学王二刚教授为共同通讯作者。