中国科学院化学研究所高分子物理与化学实验室侯剑辉

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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。