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01 

AM：一種新聚合物給體使二元全聚合物有機(jī)光伏電池具有18%的效率和出色的機(jī)械強(qiáng)度

聚合小分子受體的發(fā)展已將全聚合物有機(jī)光伏 (OPV) 電池的功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 提高到 17%。然而，仍然缺乏適用于全聚合物OPV電池的聚合物給體，限制了其PCE的進(jìn)一步改進(jìn)。在此，化學(xué)所侯劍輝研究員和崔勇博士等人設(shè)計(jì)了一種名為 PQM-Cl 的新型聚合物給體，并探索了其光伏性能。PQM-Cl 表面的負(fù)靜電勢(shì)和低平均局部電離能量分布可實(shí)現(xiàn)高效的電荷產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移過程。當(dāng)與常用的聚合物受體 PY-IT 混合時(shí)，基于 PQM-Cl 的器件提供了令人印象深刻的 18.0% 的 PCE 和 80.7% 的出色填充因子，這兩者都是全聚合物 OPV 電池的最高值。相關(guān)測(cè)量表明，基于 PQM-Cl 的薄膜具有優(yōu)異的機(jī)械性能和柔韌性。因此，制造了基于 PQM-Cl 的柔性光伏電池，并顯示出 16.5% 的優(yōu)異 PCE 和高機(jī)械穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，PQM-Cl為高效全聚合物 OPV 電池的聚合物給體設(shè)計(jì)提供了見解。該工作以題為“A new polymer donor enables binary all-polymer organic photovoltaic cells with 18% efficiency and excellent mechanical robustness”發(fā)表在《AM》上。


一、分子的設(shè)計(jì)思路

在之前的研究中，靜電勢(shì)(ESP)是評(píng)價(jià)給體和受體之間分子間相互作用的有效工具。作者計(jì)算了QM-Cl的三聚體來預(yù)測(cè)聚合物PQM-Cl的基本性質(zhì)。三聚體的ESP分布與QM-Cl幾乎相同，顯示了其給電子性質(zhì)。該聚合物往往具有較低的最高占據(jù)分子軌道(HOMO)能級(jí)，為-4.93 eV，吸收起始點(diǎn)為600 nm，它適合于與普通受體的結(jié)合。因此，作者合成了聚合物PQM-Cl。在圖1c中，PQM-Cl薄膜在300~620 nm范圍內(nèi)的吸收，帶隙為2.0 eV，與計(jì)算結(jié)果一致。
二、器件的性能研究 為了探索光伏性能，作者制備了ITO/PEDOT：PSS/活性層/PDINN/Ag結(jié)構(gòu)的全聚合物OPV電池(圖2a)?；赑QM-Cl：PY-IT的電池提供了高J SC（24.3 mA cm -2）和0.920 V的V OC，其FF達(dá)到了80.7%，PCE顯著提高到18.0%。令人印象深刻的PCE和FF都是迄今為止全聚合物OPV電池的最高值(圖2c)。為了深入了解PQM-Cl基電池的更好性能，作者評(píng)估了這些器件中的電荷產(chǎn)生動(dòng)力學(xué)。Urbach能量與能量紊亂有關(guān)，其能量越低，分子間相互作用越好。與基于PBDB-TF：PY-IT的電池(29.7 meV)相比，基于PQM-Cl：PY-IT的電池的Urbach能量降低了25.1 meV，這可能有助于電荷傳輸過程。此外，作者通過測(cè)量激子的解離概率(P diss)研究了電荷的產(chǎn)生和提取?；赑QM-Cl：PY-IT的最佳電池的P diss為97.2%，明顯高于基于PBDB-TF：PY-IT的電池（93.1%）。增加的P diss導(dǎo)致了PQM-Cl：PY-IT基電池的高J SC和FF。

02

Angew綜述：?jiǎn)谓Y(jié)有機(jī)太陽能電池的最新進(jìn)展

近年來，單結(jié)有機(jī)太陽能電池（OSCs）取得了重大進(jìn)展。材料設(shè)計(jì)和器件優(yōu)化方面的創(chuàng)新已將功率轉(zhuǎn)換效率提高到 19% 以上。在這篇綜述中，化學(xué)所侯劍輝研究員課題組基于最近的進(jìn)展，討論了調(diào)整吸收光譜、能級(jí)和分子間聚集的分子設(shè)計(jì)策略，并強(qiáng)調(diào)了分子靜電勢(shì)在減少能量損失中的作用。然后，作者介紹了四種由不同給體：受體組合組成的OSCs的最新進(jìn)展：聚合物給體：小分子受體體系、全聚合物體系、全小分子體系和小分子給體：聚合物受體體系OSCs。最后，作者討論了OSCs在實(shí)際應(yīng)用中的挑戰(zhàn)，包括材料成本、穩(wěn)定性和多功能集成。該綜述以題為“Recent Advances in Single-Junction Organic Solar Cells”發(fā)表在《Angew》上。


【文章要點(diǎn)】

一、非富勒烯受體分子設(shè)計(jì)思路

在過去的幾年中，許多具有 A-D-A結(jié)構(gòu)的NFAs已經(jīng)被開發(fā)出來(圖1a)。通過調(diào)制分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）效應(yīng)，可以很大程度地改變吸收光譜和能級(jí)(圖1b)。通過將氟和氯等鹵素原子引入端基或在給體部分添加氧原子，可以增強(qiáng)ICT效應(yīng)。相反，ICT效應(yīng)可以通過降低端基的吸電子特性來抑制。通過這些分子設(shè)計(jì)策略，ITIC衍生物的吸收光譜可以覆蓋~400-1000 nm的整個(gè)范圍，并對(duì)HOMO/LUMO能級(jí)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。烷基鏈工程可以有效地調(diào)整分子間的堆積，在電荷傳輸和溶液的可處理性之間取得平衡。自2019年以來，Y6的發(fā)展迅速增加了PCE。而Y6中包含兩種類型的烷基鏈：吡咯單元的內(nèi)烷基鏈和雙噻吩的外側(cè)鏈(圖1c)。對(duì)于Y6烷基鏈的調(diào)整有助于進(jìn)一步優(yōu)化PCE性能。 二、分子靜電勢(shì)和能量損失

靜電勢(shì)(ESP)是表示分子系統(tǒng)中每個(gè)原子核和每個(gè)電子的電荷分布的表面性質(zhì)。對(duì)于有機(jī)半導(dǎo)體，ESP是π電子的離域指標(biāo)。不對(duì)稱化學(xué)反應(yīng)和非共價(jià)相互作用都與ESP的分布高度相關(guān)。在作者之前的研究中，系統(tǒng)地研究了常見的OSC分子的ESP及其對(duì)E loss的影響。作者發(fā)現(xiàn)給體和受體的ESP分布有顯著差異。相比之下，NFAs的ESP值比富勒烯高得多，有利于在低Eloss條件下電荷的產(chǎn)生。作者進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)微調(diào)ESP是設(shè)計(jì)低損耗的OSC材料的關(guān)鍵。許多設(shè)計(jì)方法也已經(jīng)被開發(fā)出來，并取得了顯著的成功。

三、多功能集成
為了使OSCs更具競(jìng)爭(zhēng)力，必須充分利用其獨(dú)特的性能。例如，光響應(yīng)范圍的巨大可調(diào)性使一些有前途的應(yīng)用成為可能，如半透明器件、近紅外(NIR)有機(jī)光電探測(cè)器(OPDs)和室內(nèi)光伏電池。半透明的光伏電池在可見光范圍內(nèi)應(yīng)具有較高的透光率。在NIR區(qū)域，太陽光子的利用已經(jīng)變得越來越重要。除了上述應(yīng)用外，利用無毒、輕便和柔性，開發(fā)更多的OSCs功能整合也是非常重要的。


原標(biāo)題：化學(xué)所侯劍輝團(tuán)隊(duì)連發(fā)AM、Angew：高效有機(jī)光伏研究獲進(jìn)展