崔超华课题组在发展低能量损失的高效聚合物太阳能电池方面取得新进展

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聚合太阳能电池具有制备简单、质量轻以及可制备柔性、半透明器件等突出优点。近年来，具有吸收、能级易调控且分子堆积性能优异的稠环n-型稠环有机半导体材料的发展极大推动了高效聚合物太阳能电池的发展。现阶段，聚合物太阳能电池仍存在器件能量损失(Eloss)大的瓶颈问题。高效无机和钙钛矿太阳能电池的能量损失通常为0.4~0.5 eV，而文献报导的大部分高效有机太阳能电池的能量损失都大于0.6 eV。因此，如何降低器件的Eloss是进一步提高有机太阳能电池效率的关键。

从光伏材料分子设计的角度，通过结构修饰调控给受体间的能级差来提高器件的开路电压（Voc）是降低器件Eloss的有效方式。近年来，苏州大学李永舫院士团队的崔超华副教授等发展了运用烷硫链降低给体材料HOMO能级、提高器件Voc和PCE的分子设计策略，取得了一系列研究成果(Energy Environ. Sci. 2014, 7, 2276–2284; Adv. Mater. 2015, 27, 7469–7475; Energy Environ. Sci. 2016, 9, 885–891; Energy Environ. Sci., 2019, 12, 675–683)。最近，他们协同运用烷硫链和主链扭曲的分子设计策略，设计合成了一种基于烷硫链取代噻吩π桥的窄带隙稠环受体材料IE4F-S（如图1），取得了优异的光伏性能。结果表明：将吸电子端基通过烷硫链取代噻吩的β位连接到共轭主链，可以扭曲端基平面与共轭主链的共平面性（图2c），有效提高分子的LUMO能级；同时，噻吩π桥上烷硫链的引入可以降低分子的HOMO能级、拓宽吸收光谱、增强分子内的电荷转移。

将聚合物PTQ10作为给体材料与IE4F-S共混制备器件，尽管PTQ10和IE4F-S之间的HOMO能级差为零（如图2b），电池器件仍取得了12.20%的能量转换效率(PCE)，Voc高达0.996 V，器件的Eloss仅为0.47 eV。这是目前文献报道的器件Eloss小于0.5 eV的能量转换效率最高值。结果表明给受体间HOMO能级差为零时，电池器件仍能实现高的能量转换效率。同时，将PBDB-T与IE4F-S共混制备器件，PCE高达13.72%，是目前基于PBDB-T器件的最高效率之一。

以上成果发表于Chemistry of Materials (2019, doi: 10.1021/acs.chemmater.9b01175)。论文第一作者为苏州大学材料与化学化工学部硕士生邹岩，通讯作者为崔超华副教授，该研究成果得到了国家自然科学基金项目(51873140，51603136，91633301)的资助。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.9b01175

崔超华,苏州大学教授。2009年7月于北京理工大学获学士学位，2011年7月于北京化工大学获硕士学位，硕士期间在中科院化学所李永舫院士课题组联合培养。2014年8月毕业于香港浸会大学，获博士学位，导师黄维扬教授。2014年10月起任苏州大学讲师。迄今已在Energy Environ. Sci., Chem. Commun., Polym. Chem., Adv. Mater.等期刊发表研究论文二十余篇，他人引用六百多次。


李永舫，中国科学院化学研究所研究员、苏州大学材料与化学化工学部教授，2013年当选中科院院士。1986年在复旦大学获博士学位。主要研究领域是有机/聚合物太阳能电池光伏材料和器件以及钙钛矿太阳能电池。已发表研究论文600多篇，学术会议邀请报告120多次。发表论文已被他引35000余次，h-因子93。1998年获人事部授予中青年有突出贡献专家称号，1995年获国家自然科学奖二等奖（第二完成人）、2005年获北京市科学技术奖一等奖（第一完成人）、2012年获美国化学会授予高分子学术报告奖。入选科睿唯安(Clarivate Analytics)公司发布的2014材料科学领域以及2015至2018化学和材料科学两个领域Highly cited researchers名单。