光电转换效率高达13.5%的聚合物太阳能电池 | 中国科协优秀科技论文介绍（二）

原创中国科学：化学中国科学杂志社

近日，《中国科学》杂志社发表的7篇论文入选第四届中国科协优秀科技论文遴选计划，我们将陆续对这些入选文章进行介绍，敬请关注！

聚合物太阳能电池因具有重量轻、制作工艺简单、可通过低成本的印刷方式制备大面积柔性器件的突出优点，成为目前的研究前沿和热点。然而，现在最佳器件性能的实现多局限在薄膜（~100 nm）以及小面积（<0.1 cm²），严重制约了聚合物太阳能电池的进一步发展和实际应用。

李永舫院士、张茂杰教授等充分利用氟取代材料在材料本征性能以及共混形貌方面展现出来的优势，以给、受体都含有氟取代基的PM6/IT-4F共混体系为活性层材料，制备了非富勒烯聚合物太阳能电池。该共混体系具有非常互补的吸收光谱以及良好匹配的分子能级（图1）。经过器件优化，最终获得13.5%的光电转化效率(V_oc = 0.84 V，J_sc = 22.2 mA cm^-2和FF = 72.5%)。

图1 氟取代聚合物给体和小分子受体的(a) 结构式、(b) 吸收光谱和(c)能级示意图

为了研究该共混体系实际应用潜力，他们考察了不同膜厚和不同器件面积下的光伏性能（图2）。结果发现在活性层膜厚高达285 nm、器件面积为1.0 cm²时仍然分别获得了高达12.2%和11.4%的光电转换效率，为当时报道的膜厚大面积器件的最高效率值。同时最优器件在放置1920小时后仍然保持12.0%的光电转化效率。

图2 (a)不同器件面积时的电流-电压曲线; (b) 器件效率随放置时间的变化趋势；(c) 不同活性层厚度时的电流-电压曲线; (d) 器件效率随活性层膜厚的变化趋势

以上研究结果表明该活性层体系非常适用于高性能大面积器件的制备；同时也证明氟取代有机光伏材料在高效大面积有机太阳能电池器件制备中的巨大潜力。该工作对有机光伏材料的设计和发展具有重要的指导和推动作用。

该成果以”Synergistic effect of fluorination on both donor and acceptor materials for high performance non-fullerene polymer solar cells with 13.5% efficiency“为题发表于Science China Chemistry 2018年第5期(页码：531-537；doi：10.1007/s11426-017-9199-1)。博士研究生凡群平为该论文的第一作者。

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通讯作者简介

张茂杰，苏州大学材料与化学化工学部教授、博士生导师。2011年毕业于中国科学院化学研究所获得博士学位，导师李永舫院士；2011年至2014年在中国科学院化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室工作，历任助理研究员、副研究员；2014年获国家基金委优秀青年科学基金资助；2014年9月受聘苏州大学，加入李永舫院士组建的苏州大学先进光电材料实验室。2016年获苏州市“高等院校、科研院所紧缺高层次引进人才”。2017年获江苏省“双创人才”。主要从事有机光伏材料与器件方面的研究工作，迄今为止共发表SCI研究论文100余篇，授权中国专利2项，发表论文包括Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Chem. Mater.、Macromolecules等；SCI他人引用5000余次，H因子43；其中15篇论文单篇他人引用超过100次，12篇论文入选ESI高被引论文，2篇论文入选“中国百篇最具影响国际学术论文”。