苏州大学马万里教授Adv. Mater.：近9%，单组份有机太阳能电池新纪录！-草芽圈-科技服务专业网站

单组份有机太阳能电池（Single-component solar cells, SCOSCs）因具备更为简便的活性层制备工艺以及优异的活性层稳定性，近年来成为研究热点。通常情况下，根据单一组分活性层的分子结构，SCOSCs可以分成以下三类：嵌段共聚物、有机—富勒烯分子二元体以及近期出现的“双缆型”共轭聚合物。其中单组份共聚物的分子设计核心为采用分子内异质结的结构设计方法，将电子给体与电子受体通过共价键连接。而电子给/受体“双缆型”共轭聚合物则以聚合物给体作为骨架，受体片段为侧链，通过连接单元（linker）结合在同一聚合物骨架中。值得注一提是，SCOSCs在简化器件制备、提高器件稳定性等方面已经显示出非常大优越性。但是由于该类单一组分聚合物的化学结构复杂且形貌难以调控，存在激子解离与电荷传输效率较低的问题，基于SCOSCs的能量转换效率相对较低，且远远落后于基于二元或三元体系的有机太阳能电池器件。而源于Y6等窄带隙的新型非富勒烯受体小分子的开发，有机太阳能电池的能量转换效率近几年已经突破18%。因此，理性设计有机半导体在SCOSCs中的应用至关重要。

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图1. 单组份共轭聚合物的分子设计策略：（a）电子给/受体嵌段共轭聚合物；（b）电子给/受体“双缆型”共轭聚合物

近日，苏州大学马万里教授团队通过高性能的非富勒受体小分子与给体分子共聚，开发出了窄带隙的嵌段共聚物，并应用于SCOSCs中展现出高的能量转换效率。强缺电子性的非富勒烯受体分子能够加强分子内电荷转移（ICT）特性，而给体分子的选择将有助于平衡能级以及载流子传输，从而获得较高的短路电流。基于该设计策略，该研究团队采用的非富勒烯受体分子为稠环分子IDIC和Y6，因为这两类分子具有近红外光强吸收、电子迁移率高以及LUMO/HOMO能级合适等优点；而给体分子选用经典的PBDB-T，最终通过聚合直接合成出了两个给/受体嵌段共聚物PBDB-T-b-PIDIC2T和PBDB-T-b-PTY6。基于上述设计策略制备的嵌段共聚物制备的SCOSCs展现出高的短路电流，其能量转换效率达到了8.64%，是迄今为止SCOSCs的性能最高值。该研究成果今日以“Narrow-Bandgap Single-Component PolymerSolar Cells with Approaching 9% Efficiency”为题发表在国际著名期刊Adv. Mater.上。

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图2. PBDB-T-b-PIDIC2T和PBDB-T-b-PTY6的设计策略以及合成路线

论文解读：

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图3. PBDB-T-b-PIDIC2T和PBDB-T-b-PTY6的光电性质以及OFETs测试的半导体传输性质

吸收光谱显示PBDB-T-b-PIDIC2T和PBDB-T-b-PTY6嵌段共聚物在约600 nm，700 nm和800 nm的出现强吸收主峰，分别对应于PBDB-T（~600 nm）、P-IDIC2T（~700 nm）和PTY6（~800 nm）的吸收峰，计算得到两个嵌段共聚物的光学带隙依次为1.55 eV和1.43 eV。电化学测试他们的HOMO/LUMO能级分别为−5.54/−3.63 eV和−5.50/−3.67 eV。制备的TGBC结构的OFETs表明两个嵌段共聚物的电子/空穴迁移率分别为0.55×10−4/1.44×10−4 cm2 V−1 s−1和0.64×10−4/1.54×10−4 cm2 V−1 s−1，平衡的电子/空穴传输性质推测是实现高性能SCOSCs的必备条件。

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图4. 基于PBDB-T-b-PIDIC2T和PBDB-T-b-PTY6嵌段共聚物制备SCOSCs的倒置器件结构示意图、SCOSCs电流电压曲线、EQE曲线以及能量转换效率比较图等

表1 PBDB-T-b-PIDIC2T和PBDB-T-b-PTY6的SCOSCs以及PBDB-T：PIDIC2T和PBDB-T：PTY6二元共混体系的All-PSCs器件参数

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SCOSCs的倒置器件结构为ITO/ZnO/block copolymer/MoO3/Ag。基于PBDB-T：PIDIC2T的All-PSCs的能量转换效率为4.20%；基于PBDB-T-b-PIDIC2T的SCOSCs的能量转换效率为2.97%；基于PBDB-T：PTY6的All-PSCs的能量转换效率为12.20%；基于PBDB-T-b-PTY6的SCOSCs的能量转换效率高达8.64%。

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图5. 纯膜PBDB-T、纯膜PTY6、PBDB-T：PIDIC2T共混膜、PBDB-T：PTY6共混膜以及嵌段共聚物PBDB-T-b-PIDIC2T和PBDB-T-b-PTY6的2D GIWAXS以及AFM、TEM图

纯膜PTY6和PIDIC2T展现出强的π-堆积衍射信号（010），在PBDB-T：PIDIC2T共混膜和PBDB-T：PTY6共混膜中依旧可以观察到强的π-堆积衍射信号。相比之下，嵌段共聚物PBDB-T-b-PIDIC2T和PBDB-T-b-PTY6的π-堆积衍射信号有所降低，表明嵌段聚合物内的给受体片段的短程有序性，这不利于电荷的传输。产生这一现象的主要原因，作者归结为嵌段共聚物主链的不均匀性。同时，在AFM和TEM测试中，也观察到嵌段共聚物的有序性降低。PBDB-T：PIDIC2T共混膜和PBDB-T：PTY6共混膜均出现长的纳米纤维结构，这十分有利于电荷传输；相比之下，嵌段共聚物PBDB-T-b-PIDIC2T和PBDB-T-b-PTY6的纤维长度以及直径均减小，这不利于激子的有效解离以及电荷传输。以上测试分析表明，嵌段共聚物PBDB-T-b-PTY6（8.64%）可能存在激子复合增加、载流子迁移率降低等原因，从而导致其光电转换效率相比PBDB-T：PTY6二元共混体系（12.20%）较低。

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图6. SCOSCs的器件稳定性测试

有机太阳能电池的环境稳定性以及热稳定性是其走向商业化应用的重要影响因素。PBDB-T-b-PTY6的SCOSCs在环境的相对湿度为20~30%，温度为20 oC的条件下存放1000小时之后，其光电转换效率依旧可以保持初始的84%；PBDB-T：PTY6共混的All-PSCs在存放200 h之后开始迅速衰减，最后在存放1000小时之后可以维持初始的71%。同样，在氮气氛围下，环境温度达到80 oC，PBDB-T-b-PTY6的SCOSCs在存放1000小时之后依旧可以保持初始的80%，PBDB-T：PTY6共混的All-PSCs在相同条件下只能维持初始的64%。以上结果表明，基于嵌段共聚物制备的SCOSCs具有为突出的器件稳定性，在未来商业化应用中相比共混薄膜具有更广阔的发展前景。