近日，Cell Press旗下的姊妹刊Joule（《焦耳》）在线发表了高等研究院闵杰课题组在全聚合物有机太阳能电池研究方面取得的最新研究成果，论文题为“Controlling MolecularMass of Low-Bandgap Polymer Acceptors for High Performance All-Polymer Solar Cells”（DOI:10.1016/j.joule.2020.03.019）。

闵杰课题组博士研究生王伟和吴强为共同第一作者，闵杰研究员为独立通讯作者，武汉大学为第一署名通讯单位。该工作得到了国家自然科学基金和武汉大学自主科研项目等的资助。

近年来，可应用于建筑集成光伏、便携式智能电子器件、万物互联设备的有机太阳能电池（OPV）受到广泛关注。基于非富勒烯小分子受体的器件能量转换效率（PCE）迅速提高，现在已经突破了17%。尽管基于富勒烯小分子受体的聚合物体系具有良好的光吸收和电子传输性能、但通常这类光伏体系的光、热、机械稳定性较差。相反，全聚合物太阳能电池（all-PSCs）在稳定性方面具有明显的优势，引起了业内的广泛关注。通过聚合物受体材料的设计和活性层形貌的调控，全聚合物太阳能电池的PCE在五年内已经从3%迅速提升到了11%以上。然而，目前全聚合物电池效率未达到效率理论值，也远远低于基于非富勒烯小分子受体的聚合物太阳能电池。尽管存在许多高开路电压（Voc）及填充因子（FF）的全聚合物光伏体系，但是其中主要的缺陷还是电流的提高。

最近高等研究院闵杰课题组的科研人员为了提高聚合物受体材料的光吸收性能，合成了一种新的聚合物受体PYT。该聚合物受体不仅具有高吸光系数1.0×10⁵cm^-1，而且其光学带隙仅为1.40 eV（吸收边为880 nm）。进一步，引入聚合物PM6作为给体材料，并通过调控PYT的分子量（低分子量PYT_L，中分子量PYT_M，高分子量PYT_H，如图1所示）来精细优化活性层形貌。在PM6:PYT共混膜中，Flory-Huggins常数χ随着PYT分子量的增加而急剧增大，表明PM6与PYT分子间的相溶性减少，给受体聚合物趋向于自聚。通过二维掠入射X射线衍射(2D-GIWAXS)表征可知，一方面，与PM6:PYT_H相比，PYT_L和PYT_M表现出更强的（010）“face-on”堆积和（100）层堆积，表明PYT_L和PYT_M的分子堆积更为有序；另一方面，相比于PM6:PYT_L，PM6:PYT_M展现出更小的（100）面层堆积距离和（010）面“π-π”堆积距离，表明PM6:PYT_M共混膜中分子间堆积更紧密有序，更有利于电荷的传输。结果是基于PM6:PYT_M活性层的器件获得了最高的电流密度（21.78 mA/cm²）和光电转换效率（13.44%）。需要进一步说明的是相比于基于PYT_L和PYT_H的器件，PM6:PYT_M器件展示出更小的能量损失，仅为0.528 eV，这也是其能够获得高效率的重要原因之一。

总之，作者通过合成具有窄带隙、高吸光系数的聚合物受体PYT，制备PM6:PYT全聚合物有机太阳能电池，并探究不同分子量PYT对活性层微观形貌的影响，获得了13.44%的高效率器件。研究结果为设计高效聚合物受体材料和构建高性能全聚合物光伏体系提供了新的研究思路。

相关论文发表在《焦耳》杂志上。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.03.019。

图1. PM6:PYT光伏体系及其器件效率、混合膜形貌示意图和器件能量损失。