聚合物供体P35的设计思路：从分子平面扩展到形貌优化

第一作者：王江枫

通讯作者：王行柱*、闫磊*、徐保民*

单位：南方科技大学、湘潭大学

有机太阳能电池（OSCs）因其低成本、轻便和柔韧性，备受关注，但长期稳定性仍是商业化的主要障碍。OSCs 容易在光照和热应力下发生热降解，导致活性层形貌退化和性能退化。现有策略在提高短路电和开路电压之间存在权衡，难以同时提升效率和稳定性。本文引入了新型聚合物供体 P35，通过其融合环芳香内酯（FAL）单元的电子吸引能力和扩展的分子平面，优化了薄膜形貌，减少了分子间过度自聚集，形成稳定的互穿网络，从而显著提升了 OSCs 的光电转换效率和长期稳定性，为未来 OSCs 的设计提供了新的解决方案。

近日，来自南方科技大学的徐保民教授、王行柱教授以及湘潭大学的闫磊教授合作，在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Achieving stable organic solar cells with 19.2 % efficiency via fine interpenetrating network with fused-ring aromatic lactone donor”的观点文章。该观点文章本文通过引入新型聚合物供体 P35，利用其电子吸引能力和扩展分子平面，显著提升了有机太阳能电池的效率和长期稳定性。

P35 包含融合环芳香内酯单元，具有强电子吸引能力和扩展的分子平面，这种设计有助于降低 HOMO 能级，减少非辐射复合，并提高开路电压。P35 的分子结构促进了 π-π 堆积，使电子和空穴的移动更加顺畅，减少了电荷传输路径上的阻碍，并在 OSCs 中形成了一个稳定的互穿网络，从而限制了受体（SM）的聚集，防止活性层退化。

引入 P35 后，PM6 和L8-BO 之间形成了良好的相容性和相分离，这种结构有助于优化电荷传输路径和光吸收效率。在实验中，通过调节供体和受体的比例，成功在PM6:P35：L8-BO系统中实现了更高的 PCE，达到19.2%。

薄膜在400-600 nm 的光吸收范围得到扩展，增强了 OSCs 的光电流密度。同时，P35 具有较强的电子吸引能力，这使得其最高占据分子轨道（HOMO）能级更低，从而优化了供体和受体之间的能级匹配。能级匹配的优化减少了电荷在传输过程中可能的能量损失，特别是降低了电压损失。这种降低的 HOMO 能级不仅提升了开路电压，而且减少了非辐射复合过程中的能量损失。因此，提高了电池的光电转换效率。

P35 的引入也显著改善了有机太阳能电池的薄膜形貌。P35 具有扩展的分子平面，这特性使其能够在薄膜中形成稳定的互穿网络结构。通过这种结构，供体和受体之间的相分离得到了更好的控制，避免了过度自聚集的现象。这种微观结构优化有助于提高电荷传输通道的连续性，减少了孤立区域的形成，从而增强了整体光电转换效率。

该研究对比了 PM6:P35:L8-BO和 PM6:L8-BO系统在不同环境条件下的性能表现。结果显示，加入P35的三元系统在连续600小时的光照下保持了80%的初始 PCE，而在950小时的黑暗条件下存储后保留了90%的初始 PCE。通过对薄膜的表面形貌和接触电位的研究发现，P35 的加入改善了薄膜的均匀性和相分离状态，形成了一个更加稳定和持久的结构。这种结构不仅有助于抑制因光和热导致的材料退化，还能在空气环境下保持较高的效率。

这篇文章通过引入新型供体 P35，成功设计了一个稳定且高效的三元 OSCs 系统。P35 的电子吸引能力和扩展分子平面在提高光电转换效率和长期热稳定性方面发挥了关键作用。研究结果表明，P35 在 OSCs 中的应用是实现稳定和高效性能的一种有效策略，也为其他热稳定的有机设备的优化提供了参考。

Achieving stable organic solar cells with 19.2 % efficiency via fine interpenetrating network with fused-ring aromatic lactone donor

王行柱教授简介：王行柱教授于2009年获得香港浸会大学博士学位，随后在剑桥大学进行博士后研究，于2011年至2017年先后加入南洋理工大学和新加坡国立大学，担任研究员和高级研究员，目前在南方科技大学担任教授，并入选为深圳市孔雀计划人才和国家高层次人才。王行柱教授主要研究方向为有机合成、有机半导体和光电子器件，迄今已在Science, Nat. Mater., J. Am. Chem. Joc., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., ACS Energy Letters., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Energy, Chem. Sci., 等国际权威杂志上发表SCI论文100余篇，授权专利15项。王行柱教授作为项目主持人获批国家重点研发计划项目1项、国家自然科学基金项目3项、湖南省自然科学基金3项，深圳市科创委基础研究重点和面上项目等4项；科研成果曾获得国家自然科学二等奖，教育部优秀成果自然科学一等奖和深圳市自然科学二等奖等奖项。

闫磊副教授简介：闫磊教授于 2005 年获得湘潭大学理学学士学位，2017 年获得湘潭大学博士学位。她目前是湘潭大学物理与光电子学院的副教授。她的研究重点是新型光电功能材料（包括有机太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、高效晶体硅太阳能电池、晶体管、热电器件等）的结构性能关系和器件物理研究。

徐保民教授简介：讲席教授、深圳市引进海外高层次人才“孔雀计划”A类人才。1986 年在清华大学获得学士学位，1991年在中国科学院上海硅酸盐研究所获得博士学位。1994年到1996年在美国宾州州立大学材料研究所做博士后，之后任助理研究教授，2000年11月至2014年3月在位于美国硅谷的施乐公司PARC研究中心(Palo Alto Research Center)担任高级科学家和项目主管，2014年3月被南方科技大学聘为全职讲席教授。已发表科研论文 100余篇，获得授权美国发明专利32项，其中23项专利为第一或唯一发明人，3项专利获施乐公司最佳专利奖。长期致力于新型清洁能源材料和器件，功能材料及微机电系统用材料和器件，新型材料制备技术等方面的研究。以通讯作者身份在Science, Joule, EES, Adv. Energy Mater., Adv. Mater., Nano Energy, Small, Appl. Catal. B Environ. 等学术刊物上发表多篇研究论文。至今已发表论文100余篇，获得授权美国发明专利32项，其中23项专利为第一或唯一发明人，3项专利获施乐公司最佳专利奖。

王江枫目前在南方科技大学攻读智能制造与机器人专业的工程硕士学位。他的研究主要集中在光伏技术的开发和优化，特别是针对有机太阳能电池和叠层太阳能电池。旨在通过创新的材料工程和工艺优化来提高这些太阳能电池的效率和稳定性。