姚建年院士、詹传郎研究员团队通过设计四组份活性层制备了效率超过12%的聚合物太阳电池

中国科学化学

聚合物太阳电池因具有半透明、重量轻、低成本和柔性可折叠等优点，近年来受到了广泛的关注。高效率非富勒烯受体材料的出现，极大地促进了聚合物太阳电池的发展。电池活性层由电子给体和电子受体材料共混形成体异质结，实现光子到电子的高效转换与传输。和双组份活性层相比，第三组份的加入可以拓宽活性层薄膜的吸收光谱、调节分子间电荷转移态能级、优化活性层形貌，从而提高活性层的吸光效率以及电荷分离与传输效率，实现电池性能的提升。

最近，中国科学院化学研究所姚建年院士和詹传郎研究员等基于PBDB-T:ITIC（图1）这一非富勒烯双组份体系，发现加入富勒烯组份可以降低非富勒烯受体ITIC的光学带隙——相比于ICBA，引入PCBM后，ITIC的光学带隙明显降低；而同时引入PCBM和ICBA后，带隙降低更加明显。这个结果超越了原有的关于富勒烯功能的认识，说明富勒烯的加入不仅可以调节活性层的电学性质，还可以调节非富勒烯有机受体材料的光学性质。和三元电池相比，四元电池的短路电流（J_sc）和填充因子（FF）得到了明显改善，而开路电压（V_oc）可以在PCBM和ICBA两个三元电池的电压值之间得到调节，电池的光电转换效率（PCE）由三元电池的11%，提高到四元的12%以上。同时，他们也观察到，C₆₀与C₇₀分子形状间的微小差异以及C₆₀-ICBA与C₇₀-ICBA间取代位置的多样性差异，可以明显地影响活性层的电学性质以及非富勒烯受体材料的光学性质。通过交叉组合C₆₀-/C₇₀-PCBM和C₆₀-/C₇₀-ICBA，制备得到的四元电池的V_oc和FF均按以下顺序提高：C₇₀-PCBM:C₇₀-ICBA< C₇₀-PCBM:C₆₀-ICBA < C₆₀-PCBM:C₇₀-ICBA< C₆₀-PCBM:C₆₀-ICBA，其中C₆₀-PCBM的两个组合具有更高的J_sc值， PCE由C₇₀-PCBM组合的12%提高到C₆₀-PCBM 组合的12.5%和12.8%。

图1 电子给受体材料的分子结构（a）、纯膜吸收光谱（b）和能级结构（c）；四元电池的J-V曲线（d）、EQE（e）及其活性层薄膜的吸收光谱（f）。其中Q-BHJ1—4分别代表引入了C₇₀-PCBM:C₇₀-ICBA、C₇₀-PCBM:C₆₀-ICBA、C₆₀-PCBM:C₇₀-ICBA和C₆₀-PCBM:C₆₀-ICBA的四元体异质结。

他们与上海交通大学刘烽课题组合作，利用掠角入射X射线衍射（GIXD）和共振软X-射线衍射（RSoXS）技术，详细研究了二元、三元以及四元活性层薄膜的形貌，发现加入富勒烯组份后，PBDB-T和ITIC的结晶尺度均增大。也就是说，富勒烯组份的引入，改善了由于聚合物和非富勒烯受体间的结构相似性所带来的给受体间相分离的不足，从而促进了聚合物给体材料和非富勒烯材料受体的聚集，提高了空穴和电子迁移率。

作者还指出，正如该研究结果展示的，和三元活性层体系相比，四元体系可以利用第四组份材料来改善活性层薄膜的吸收及其电荷分离与传输等光电性能，从而为改善光伏薄膜的光电性能以及电池器件的光电转换性能提供了更多的途径和可能性。特别地，如果考虑到给体材料、非富勒烯以及富勒烯受体材料的结构多样性和可修饰性，四元体系可能为高性能有机太阳能电池的研究提供更为广阔的发展空间。

该工作以“High-Efficiency Quaternary Polymer Solar Cells Enabled with Binary Fullerene Additives to Reduce Nonfullerene Acceptor Optical Band Gap and Improve Carriers Transport”为题，在线发表于Science China Chemistry（DOI: 10.1007/s11426-018-9320-3，点击左下角“阅读原文”可下载全文）。中国科学院化学研究所李伟平博士为第一作者，中国科学院化学研究所詹传郎研究员、姚建年院士和上海交通大学的刘烽教授为通讯作者。

通讯作者简介

詹传郎研究员 自2002年就职于中国科学院化学研究所，迄今已在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Chem. Mater., Adv. Energy Mater.等学术刊物上发表研究论文100余篇，总被引超过3300次，H-index 33。主要研究方向为：（1）有机光电材料与有机太阳能电池；（2）分子折叠体与可控组装；（3）有机非线性光学与多光子吸收。

刘烽教授 2005年毕业于华东理工大学材料专业，2008年毕业于复旦大学先进材料研究院，2014年于麻省大学高分子系获得博士学位，同年加入劳伦斯伯克利国家实验室从事博士后研究工作。2016年被聘为上海交通大学物理与天文系特聘研究员，博士生导师，同年入选国家“青年千人计划”。长期致力于功能软材料及其同步辐射结构表征等方面的研究。在有机/杂化薄膜光伏电池、同步辐射结构表征、粒子表界面自组装等领域取得了一系列具有影响力的科研成果。迄今与合作者在高水平刊物上发表文章100余篇。