有机光伏（OPV）电池以其能够通过低成本溶液加工工艺制备大面积器件的独特优势，受到了广泛关注。近年来，得益于新材料的不断开发，OPV电池的能量转换效率（PCE）已经突破了20%，表现出巨大的实际应用潜力。然而，推进OPV技术的产业化，不仅要着眼于提升材料的光伏性能，更要严格控制相关材料的合成成本。目前，高效率的给、受体材料面临着合成步骤复杂和产率低下的问题，这无疑大幅增加了材料的生产成本，严重制约了有机光伏电池的产业化进程。

       在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下，化学研究所高分子物理与化学实验室侯剑辉课题组围绕高效率、低成本材料开展了系统的研究，取得了系列成果(Natl. Sci. Rev. 2021,8,nwab031;Nat. Commun.2021,12,5093;Adv. Mater. 2022,34,2108090;Adv. Mater. 2022,34,2105803;Angew. Chem. Int. Ed.2023,62,e202214088;Angew. Chem. Int. Ed. 2023,62,e202314362)。
      近期，该课题组以低成本的噻吩-苯环-噻吩(TBT)单元为出发点，开发了一系列高性能非稠环电子受体材料。首先，他们通过在中心苯环的邻位引入两个2-乙基己基烷氧基取代基，合成了受体材料TBT-2。基于TBT-2的OPV电池实现了13.6%的PCE。进一步，通过改变苯环上烷氧基的取代位置以及在分子中引入α位点支化的烷氧基作为侧链设计了受体材料TBT-13，这样的分子设计赋予了材料更好的平面性和稳定的构象。增加的HOMO和LUMO空间分布波函数的重叠，使TBT-13的吸收峰相较于TBT-2红移了85 nm，有利于相应电池对太阳光的充分利用。基于TBT-13的OPV电池因短路电流密度和填充因子的协同提升，表现出了16.1%的PCE。此外，他们通过精细调节烷氧基侧链的长度设计了受体材料TBT-26。共混薄膜显示出更加有序的π–π堆积和良好的聚集特性，从而表现出了优异的电荷传输性能，进一步将OPV电池的PCE提升至17%，这是目前基于全非稠环受体制备的OPV电池所能获得的最高结果。同时，该材料的成本低至85元/克，非常适合产业化应用。他们结合溶液理化性质，通过调控涂布条件，制备的30.6 cm2电池实现了13.5%的PCE。这一系列研究成果不仅为开发高性能、低成本的受体材料提供了一种实用的分子设计策略，也为OPV技术的产业化提供了重要支撑。相关成果近期发表在J. Am. Chem. Soc.和Angew. Chem. Int. Ed.期刊上（https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.4c00090；https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202403753），论文第一作者为博士研究生杨霓，通讯作者为化学所侯剑辉研究员和崔勇副研究员。

最近在非富勒烯受体（NFA）的材料设计和合成方面取得的进展揭示了聚合物太阳能电池（PSC）的新前景，并将效率（PCE）提高到15％以上。化学所侯建辉和Huifeng Yao团队通过将富勒烯衍生物PC61BM掺入聚合物供体（PBDB-TF）和稠环NFA（Y6）的共混物中，制备三元PSC。并获得16.5％高效率（认证为16.2％）。研究表明，将PC61BM掺到PBDB-TF：Y6混合物中不仅可以提高电子迁移率，还可以提高电致发光量子效率，同时实现平衡电荷传输和减少非辐射能量损失。该研究表明，利用富勒烯和NFA的互补优势是一种有前途的方法，可以精细调整详细的光伏参数，进一步改善器件性能。

Yu, R., Yao, H., Cui, Y., Hong, L., He, C., Hou, J., Improved Charge Transport and Reduced Nonradiative Energy Loss Enable Over 16% Efficiency in Ternary Polymer Solar Cells. Adv. Mater. 2019, 1902302.

https://doi.org/10.1002/adma.201902302

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201902302

尽管有机光伏电池（OPV）的性能已经得到改进，但是表现最好的器件仍然显示出远低于商业化太阳能电池的功率转换效率。其中一个主要原因是分离电子-空穴对所需的驱动力很大。近日，中国科学院化学研究所侯剑辉通过使用新的聚合物供体PTO2和非富勒烯受体IT-4F制备了单结效率为14.7％的OPV。该器件在低驱动力下具有有效的电荷产生。理论研究表明，PTO2和IT-4F之间的分子静电势（ESP）很大，诱导的分子间电场可能有助于电荷的产生。研究结果表明，OPV具有通过ESP的严格调制进一步改善的潜力。

Yao,H. Hou, J. et al. 14.7% Efficiency Organic Photovoltaic Cells Enabledby Active Materials with a Large Electrostatic Potential Difference. Journalof the American Chemical Society, 2019.

DOI: 10.1021/jacs.8b12937

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b12937

有机太阳能电池由于可采用低成本的方法制备轻质、柔性的大面积器件，具有广阔的应用前景，受到了广泛的关注。随着新型有机光伏材料的快速发展以及科研人员对于活性层的形貌调控的深入理解，有机太阳能电池的能量转换效率逐步提升。为有机光活性层的形貌调控是提升电池光电转化效率的主要方法之一。近年来，新型非富勒烯受体材料因优异的光伏性能，得到了快速的发展。然而，目前非富勒烯有机太阳能电池的形貌调控主要沿用了在富勒烯电池中常用的方法。其中，采用高沸点溶剂添加剂是最有效的方法之一，但是采用这种方法所制备的电池面临着稳定性和重现性较差的问题。

　　在中国科学院、国家自然科学基金委和科技部的支持下，中科院化学所高分子物理与化学实验室侯剑辉课题组科研人员针对新型非富勒烯受体材料的结构特点，开创性地设计并合成了一类挥发性固体添加剂，并首次将其应用到非富勒烯有机太阳能电池的活性层优化中，获得了突出的光电转化效率。不仅如此，采用挥发性固体添加剂的光伏器件表现出良好的膜厚耐受性以及稳定性等（Nat. Commun. 2018, 9, 4645）。最近，科研人员详细地研究了固体添加剂的工作机制以及其挥发性对电池性能的影响。此类固体添加剂可以通过分子间相互作用力巧妙地嵌入非富勒烯受体分子之间从而诱导受体分子有序排列。得益于受体分子更为紧密的堆积结构，活性层的电荷传输性能得到大幅度地提高，使得相应的电池器件表现出优异的光伏性能。另外， 研究人员证明本方法同样适用于目前最高性能的有机光伏电池。这一工作为固体添加剂的设计和发展提供了有益参考，相关研究结果发表在近期的《先进材料》上（Adv. Mater. 2019, doi: 10.1002/adma.201900477）。

　　

　　图1 挥发性固体添加剂工作机制示意图

化学所侯剑辉Joule：13.2%效率，大面积有机太阳能电池最高效率！

化学所的侯建辉课题组制备基于萘二酰亚胺（NDI）的有机分子（NDI-N）用作有机太阳能电池（OSC）的可印刷阴极界面层（CIL）。NDI-N具有高结晶度和良好成膜性的综合优点性能，赋予材料优异的电子传输性能和良好的可加工性。NDI-N可以通过印刷方法加工; 在这通过使用刮刀涂覆的NDI-N，组装的1 cm2面积的OSC器件效率达到13.2％，这是迄今为止大面积OSC最高的效率。

Kang Q, et al. A Printable Organic Cathode Interlayer Enables over 13% Efficiency for 1-cm2 Organic Solar Cells[J]. Joule,2018.

DOI: 10.1016/j.joule.2018.10.024

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118305154

中科院化学所AEM：通过共轭可旋转端基增强非富勒烯受体的光伏性能

中科院化学所设计并合成具有共轭可旋转端基的受体-供体-受体型受体，苯乙炔基取代的受体（ITPN）。与乙炔基取代的受体（ITEN）和小分子电子受体（ITIC）相比，ITPN分子显示出降低的结合能和复合能，由苯乙炔基端基的可旋转性和促进π共轭的扩展。ITPN显示出更强的分子聚集和更有序的排列，并增强电荷传输性质。在聚合物太阳能电池中，应用氟化聚合物（PBDB-TF）作为电子供体，基于ITPN的器件效率可达12.6％。可旋转端基的协同作用调节端基并延长π共轭长度是提高A-D-A型小分子受体光伏性能一种行之有效的策略。

Yu R, Yao H, et al. Enhancing the Photovoltaic Performance of Nonfullerene Acceptors via Conjugated Rotatable EndGroups[J].  Advanced Energy Materials,2018.

DOI: 10.1002/aenm.201802131

https://doi.org/10.1002/aenm.201802131

2018国家自然科学基金重点项目-面向未来应用的聚合物太阳能电池关键材料和器件制备技术的研究
批准号        21835006        学科分类        ( B050804 )
负责人        侯剑辉        职称                单位名称        中国科学院化学研究所
资助金额        340万元        项目类别        重点项目        起止年月        2019年01月01日 至 2023年12月31日

中科院化学所侯剑辉JACS：聚合物太阳能电池能量转换效率获得14.2%的新突破！

【 本文亮点 】
1.合成出一种具有低HOMO能级、宽带隙的聚合物给体材料。
2.该聚合物由于具有直线型支链而提高了其聚集和π-π堆积性能。
3.该聚合物在倒置结构下，使器件的转换效率达到14.2%。


聚合物太阳电池（Polymer solar cells，PSCs），由于其质量轻、柔性、较低的生产成本等优点，已经被看作为有前景的可再生能源技术。其中，PSCs的活性层材料设计是该领域最受瞩目的研究方向之一。在近三年内，A-D-A型小分子受体（SMAs）材料的发展已使得不含富勒烯的PSCs的效率（PCEs）达到13%。但是，基于上述受体材料的PSCs的开路电压（Voc）仍相对较低，这主要是由于A-D-A型小分子受体材料具有较低的最高非占据轨道（LUMO）能级所致。为了在保持较高的短路电流密度（Jsc）的条件下提高Voc，具有宽带隙（WBG）且最高占据轨道（HOMO）能级较低给体聚合物成为必然，从而与SMAs在界面的能级排列相匹配。截至目前，尽管已有基于WBG的聚合物：SMA的高效器件被报道，但大多聚合物的HOMO能级由于过高而不能使器件实现高的Voc。因此，设计出具有更低HOMO能级的WBG聚合物成为了进一步使PSCs的效率有所突破的关键。

最近，中国科学院化学研究所侯剑辉团队于JACS杂志上报道了系列基于PDTB-EF-T的给体聚合物（P1，P2，P3）。三个聚合物的差异在于连接在羧基上侧链的不同（见图1）。该系列聚合物均具有较低的HOMO能级，其中，P2由于所连接的线性癸基表现出较强的链间π-π相互作用，和更有序的π-π堆积，使其聚集效应和分子堆积性质较P1和P3均得到有效调节。因此，表现更高的空穴迁移率，实现了最平衡的电荷和空穴传输，抑制了电荷重组，进一步提高了其构建器件的Jsc，并显著改善了填充因子（FF），导致器件的PCEs达到14.2%（认证PCEs为13.9%），成为目前单结PSCs中性能效率最高的电池。

厦 门 大 学化 学 学 院 学 术 讲 座

题    目: 轴手性化合物的催化不对称合成与应用

讲座人: 侯剑辉 研究员（杰青、“万人计划”青拔人才）
              中国科学院化学研究所高分子物理与化学实验室
              北京科技大学化学与生物工程学院，兼职教授

时    间: 2018年3月19日（周一）上午10:00-12:00

地    点: 卢嘉锡楼202报告厅

                 欢迎各位老师同学积极参加！

嘉宾介绍：

      侯剑辉，主要从事有机光伏领域的研究，内容包括有机光伏材料和器件两方面。发展了多种有效调制有机光伏材料特性的方法，设计并深入发展了具有基于苯并二噻吩的聚合物光伏材料体系，制备了多种高效聚合物光伏材料；通过高分子物理的手段研究并控制活性层的微观形貌，获得了指导聚合物光伏材料设计与活性层微观形貌调控的规律；研究团队在有机光伏电池效率方面保持国际领先位置，多次获得世界最高结果。
      作为第一或通讯作者发表SCI论文150余篇；50篇论文引用100次以上，论文他引总数20000余次，H因子67；授权中国发明专利16项，美国发明专利2项；6篇第一/通讯作者论文入选全国百篇最具影响国际学术论文；2015-2017年入选汤森路透发布的全球高被引科学家名录。
      获国家杰青科学基金（2013）、中科院百人计划（2013）支持；入选国家“万人计划”之青年拔尖人才（2014）和科技创新领军人才（2017）。