香港城市大学任广禹（Alex K.-Y. Jen）教授Angew：多硒吩窄带隙聚合物受体助力高效率、高重现性全聚合物太阳能电池

科学材料站

2021-05-11

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导读：本文报道了一种在聚合物主链的小分子受体(SMA)主骨架和共聚π桥上同时引入硒吩单元来构筑高性能聚合物受体的策略。

文章信息

多硒吩窄带隙聚合物受体助力高效率、高重现性全聚合物太阳能电池

第一作者：凡群平、付慧婷

通讯作者：任广禹（Alex. K.-Y. Jen）

单位：香港城市大学、武汉大学、高丽大学、华盛顿大学

研究背景

全聚合物太阳能电池（all-PSCs）具有优异的形貌稳定性和机械性能，在柔性、可穿戴电子器件领域展现出广阔应用前景。近期，随着“小分子受体聚合化”设计策略的提出，一系列高性能新型聚合物受体材料被成功开发，all-PSCs的光伏性能得到大幅提升。然而，已报道的此类聚合物受体往往难以同时拥有宽的吸收光谱、高的电子迁移率、低的能量损失、以及好的批次重复性，因此限制了all-PSCs的实际应用。

由于硒原子松散且易极化的离域电子云能够在π-共轭体系形成更好的轨道重叠来弱化芳香性和促进基态醌式特性，硒基光伏材料通常具有比硫基材料更窄的光学带隙，进而可实现更高的短路电流密度（Jsc）。

鉴于此，任广禹教授课题组报道了一种在聚合物主链的小分子受体(SMA)主骨架和共聚π桥上同时引入硒吩单元来构筑高性能聚合物受体的策略。

文章简介

研究表明，多硒吩策略不仅拓宽了聚合物受体的吸收光谱，而且能够提升电子迁移率以及增强分子间相互作用。作为结果，基于PFY-3Se的all-PSCs获得了15.1%的高能量转换效率（PCE），并且其光伏性能对器件面积（4.5 mm2-1.0 cm2）和活性层厚度（110-250 nm）依赖性较低。

此外，基于不同批次PFY-3Se（分子量为25.8-42.4 kDa）的all-PSCs均表现出良好的光伏性能重现性（PCE为14.5-15.1%），这在已报道的“小分子受体聚合化”工作中非常罕见，本文为首次报道。综上所述，PFY-3Se是高效all-PSCs迈向实践生产的一个潜在候选者。

图1. 多硒吩聚合物受体PFY-3Se的优点归纳。

本文要点

要点一：设计合成了一系列含不同硒吩单元的窄带系聚合物受体，并系统研究了其光电性能

相较于无硒吩聚合物受体PFY-0Se，多硒吩聚合物受体PFY-3Se表现出增强的光捕获能力和提高的电子迁移率。

图2. a）分子结构式。b）聚合物的吸收光谱：相比于硒吩作为共聚π桥单元不会明显影响分子的光学吸收，聚合物受体的SMA中心核引入硒吩明显拓宽了吸收光谱。c）共混膜的吸收光谱：随着聚合物受体中硒吩含量的增加，共混膜在近红外区域的吸收峰逐渐增强。d）聚合物的分子能级：随着硒吩含量的增加，聚合物受体的LUMO能级依次轻微降低。e）J-V曲线：随着硒吩含量的增加，聚合物受体的电子迁移率依次提升。

要点二：系统探究和对比了不同聚合物受体在溶液中聚集的温度依赖特性和在薄膜中的堆积方式

随着硒吩含量的增加，聚合物受体在溶液中聚集的温度依赖性依次减弱，在薄膜中的π-π堆积距离依次减小（从4.02到3.90 Å），表明分子间相互作用和聚集效应依次增强。另外，不同分子量的PFY-3Se在溶液中具有相似的温度依赖特性，这有利于形成一致的活性层形貌。

图3. a）聚合物受体在不同温度溶液中的吸收光谱。b）聚合物受体在薄膜中的GIWAXS图。

要点三：详细分析了硒吩单元对聚合物受体光伏性能的影响

随着硒吩含量的增加，聚合物受体在all-PSCs的光伏性能逐渐提升，其中多硒吩聚合物PFY-3Se获得15.1%的高PCE，并且其光伏性能对器件面积和活性层厚度依赖性小。

同时，基于不同批次PFY-3Se的all-PSCs均表现出良好的器件性能重现性，这在已报道的“小分子受体聚合化”工作中非常罕见。

图4. a-b）基于不同聚合物受体的all-PSCs的J-V和EQE曲线。c）不同批次（分子量）PFY-3Se在all-PSCs中的PCE值。d）1 cm2器件面积all-PSCs的J-V曲线。e）不同活性层厚度all-PSCs的J-V曲线和f）相应的PCE变化趋势。

本文链接

Multi‐Selenophene‐Containing Narrow Bandgap Polymer Acceptors for All‐Polymer Solar Cells with over 15% Efficiency and High Reproducibility

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202101577

通讯作者介绍

任广禹 教授。

现为香港城市大学李兆基讲座教授（材料科学）, 欧洲科学院外籍院士和华盛顿州立科学院院士,以及化学系与材料科学系的讲座教授，并曾担任香港城市大学副校长、西雅图华盛顿大学Boeing-Johnson讲座教授与材料科学及工程学系系主任，其间获华盛顿州州长委任为洁净能源研究所的首席科学家。

任教授于学术领域有突出的成就和极高的引用率，与其他学者合著了950多份出版物，並曾获邀600多次演讲，著作获引用超过67,000次，其H指数达133，并且是63项专利及发明的共同发明人。任教授专注于跨学科研究，范畴涵盖应用于光子学、能源、感应器及纳米医学等领域的功能材料和器件。任教授在2014-2020年期间均被湯姆森-路透评为「高被引用研究者」，亦于2015及2016年获评为「全球最具影响力的科学头脑」。

身为一国际知名学者，任教授亦获选为AAAS, MRS, ACS, PMSE, OSA, SPIE等科学学会院士。

第一作者介绍

凡群平：本科（2012.6）和硕士（2015.6）毕业于湘潭大学，导师为刘煜教授；2018.6于苏州大学获得应用化学博士学位，导师为李永舫院士和张茂杰教授。2018.6-2020.6曾在瑞典查尔姆斯理工大学从事博士后研究，合作导师为瑞典皇家科学院青年院士王二刚教授。随后，于2020.7加入香港城市大学做博士后研究，合作导师为欧洲科学院院士任广禹教授。研究方向主要为高性能有机光伏材料的设计合成及其在有机太阳能电池中的应用。

付慧婷：本科毕业于北京科技大学，获得中国科学院化学研究所有机化学博士学位，导师为王朝晖教授。现于香港城市大学开展博士后研究，合作导师为任广禹教授。目前的研究方向为高效有机光伏器件的制备和性能探究。

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