基於聚合物給體和聚合物受體共混活性層的全聚合物太陽電池，具有穩定性和機械柔韌性好的優點，有望在柔性聚合物太陽電池中得到實際應用。而在早期研究中，全聚合物太陽電池（all-PSC）的光電能量轉換效率（PCE）顯著低於基於富勒烯或是非富勒烯小分子受體的聚合物太陽電池的效率，這是由於合成的聚合物受體在長波長的吸收較弱、聚合物給體和聚合物受體共混膜的形貌控制困難所致。近年來，窄帶隙非富勒烯小分子受體快速發展，使得基於小分子受體的聚合物太陽電池PCE快速提升。
中國科學院化學研究所有機固體院重點實驗室研究員李永舫課題組在高效聚合物受體材料研究中取得進展：關於all-PSC給體和受體光伏材料提出“吸收互補”思想，使用窄帶隙聚合物受體N2200為受體，以它們合成的與N2200吸收互補和能級匹配的寬頻隙聚合物J51為給體，製備的all-PSC的PCE達到8.27%（Adv. Mater.2016, 28, 1884）；這類all-PSC的短路電流（Jsc）較低，限制了進一步提高效率，而低的Jsc主要與對應聚合物受體吸收波段的外量子效率較低相關，低的外量子效率是由其弱的吸收係數引起，考慮到窄帶隙小分子受體具有長波長強吸收和合適的電子能級的優點，提出了將窄帶隙小分子受體聚合物化的學術思想：將小分子受體IDIC與噻吩單元共聚得到聚合物受體PZ1，使all-PSC的PCE提升至9.19%（Angew. Chem. Int. Ed.2017, 56, 13503）；小分子受體高分子化（polymerized small molecule acceptor（PSMA））成為高效聚合物受體和聚合物太陽電池的研究熱點（Angew. Chem. Int. Ed.2021, 60, 4422），報道A-DA’D-A型窄帶隙小分子受體Y6（Joule.2019, 3, 1140）之後，基於Y6及其衍生物的PSMA引起聚合物太陽電池領域的關注；引入三元無規共聚的分子設計策略，合成了基於Y6衍生物（TPBT）為主體分子骨架的PSMA，使all-PSC的PCE達到12.52%（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 15181）。
近日，科研人員使用A’單元分別為苯並噻二唑和苯並三氮唑的A-DA’D-A型小分子受體作為主要構築單元，以硒酚為共聚連線單元合成了兩種新型的PSMA聚合物受體PS-Se和PN-Se（分子結構見圖a），剖析了A’單元結構對活性層形貌及all-PSC的PCE的影響。與PS-Se相比，PN-Se吸收紅移，同時能級略微上移，這利於基於PN-Se的all-PSC開路電壓的增加。與分析測試中心副研究員關波合作，首次運用冷凍電鏡技術（Cryo-TEM），探究聚合物給體/受體在溶液中的預聚集行為，發現PS-Se與PN-Se在溶液中呈現出不同的聚集尺度（圖b、c）。同時，研究人員利用光誘導力顯微鏡（PiFM）觀測到，在PBDB-T聚合物給體和PN-Se聚合物受體共混膜中存在尺度為10-20 nm的雙連續互穿網路結構（圖d、e），這是聚合物太陽電池領域探求的比較理想的活性層形貌，有利於獲得高的激子電荷分離效率和高的電荷傳輸效率。基於PBDB-T:PN-Se的all-PSC能量轉換效率提升到16.16%，這是當前二元all-PSC的最高效率。
相關研究成果發表在《自然-通訊》上。化學所與美國北卡州立大學共同完成該項研究。研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃的支援。
（a）聚合物受體PS-Se和PN-Se的分子結構、（b）PBDB-T:PN-Se氯仿溶液的冷凍電鏡影象、（c）PBDB-T:PS-Se氯仿溶液的冷凍電鏡影象。AFM和PiFM影象：（d）PBDB-T:PN-Se樣品的影象、（e）PBDB-T:PS-Se樣品的影象；（i）AFM高度圖、（ii）給體PBDB-T的PiFM影象、（iii）聚合物受體的PiFM影象、（iv）混合膜中給體/受體的分佈圖像。
來源：中國科學院化學研究所
