聚合物有機太陽能電池（PSC）因其重量輕、靈活性好、可大面積生產成本低等潛在優勢近些年來受到了廣泛關注。在小分子受體（SMA）不斷進步下，PSC的光電轉換效率（PCE）目前已超過18%。與基於SMA的PSC相比，包含聚合物給體和聚合物受體的全聚合物有機太陽能電池（全PSC）具有優異的熱力學形態穩定性和機械耐受性，以及更廣泛的加工性。然而，目前全PSC的效能仍低於基於SMA的有機太陽能電池效能，主要原因是相對於種類繁多的SMA而言，高效能聚合物受體還有一定的稀缺性。因此，開發具有理想特性的新型聚合物受體，能夠與常用的聚合物給體良好匹配是進一步推進全PSC效能的關鍵一步。

圖1:PYT,PZT,PZT-γ分子與光電性質

鑑於此，近日，香港城市大學Alex K.-Y. Jen教授課題組設計併合成了一類新型窄帶隙聚合物受體，PZT。該分子以N-甲基苯並三唑（BTz）為核，其它部位類似於先前報道過的聚合物受體PYT。然而，與含苯並噻二唑的PYT相比，電子缺陷較少的BTz結構使得PZT具有明顯的吸收紅移和能級上移。研究結果顯示，透過與聚合物給體PBDB-T結合，基於PZT的全PSC表現出顯著改善的短路電流密度（JSC）以及降低的能量損失（Eloss），最終器件的光電轉換效率（PCE）提高到14.5%，遠高於基於PYT的器件（12.9%）。

圖2:基於PYT,PZT,PZT-γ器件的效能測試

此外，為了進一步最佳化PZT的光電效能，研究人員製備出了一種區域更為規整的PZT-γ。在整個合成過程中，為了避免異構體問題，他們從氯仿中透過重結晶獲得高純度IC-Br-γ，並透過與上一步中間體進行聚合，最終得到了區域更為規整的共聚物PZT-γ。透過比較，PZT-γ具有比PZT更寬、更強烈的吸收、更好的鏈延伸和更高的電子遷移率。也正因此，最終器件在較小的Eloss（0.51 ev）和較高的JSC（24.7 mA cm-2）下獲得了高達15.8%的PCE。據悉，這是目前為止所有聚合物受體中所報到的最高PCE和JSC，基本上可SMA例如Y6等相媲美。所有這些令人矚目的結果也說明了控制聚合物受體的區域規則性對於改善器件效能方面的重要性。更重要的是，由PZT-γ組成的全PSC表現出優異的穩定性，外部量子效率（EQE）光譜表明，三種全PSC的光響應範圍從PYT，PZT到PZT-γ逐漸增加，這一點與它們的吸收趨勢相吻合。此外，在幾乎整個吸收範圍內，基於PZT-γ的全PSC的EQE值均比基於PYT和PZT器件的EQE值高得多，這與它們提高的光利用率和減少的電荷重組有關。

圖3:掠入射廣角X射線散射圖

總之，這項工作不僅為全PSC領域增加了一位新成員，也為設計和開發高效能聚合物受體提供了一種新的策略。相關研究成果現已發表在國際頂級期刊《Journal of the American Chemical Society》上，題為“High Efficiency (15.8%) All-Polymer Solar Cells Enabled by a Regioregular Narrow Bandgap Polymer Acceptor”。

文獻地址：

https://doi.org/10.1021/jacs.0c12527

文中所涉及材料：

PBDB-T：1415929-80-4

IC-Br：507484-47-1

PZT

PZT-γ