全聚合物有机太阳能电池（All-PSCs）主要利用共轭聚合物作为电子给体和受体，由于其比基于小分子受体（SMAs）的有机太阳能电池（OSCs）具有更高的热稳定性和机械稳定性，被认为是最有应用前景的一类OSCs。目前广泛研究的聚合物受体主要基于的结构包括萘二酰亚胺、苝二酰亚胺、双氰基苯并二氮唑和B-N桥联吡啶等，由于其分子的低吸收系数，基于这些聚合物受体的All-PSCs的光电转换效率（PCE）大多低于12%。2017年，中科院化学所李永舫院士课题组提出了一种构建新型聚合小分子受体的策略，这些受体分子表现出低带隙和强吸收，非常适合制备All-PSCs。受此策略的启发，近年来，人们在聚合小分子受体的设计方面进行了大量的工作，并取得了很大的进展，PCE也已超过14%，但目前All-PSCs的技术水平仍远远落后于基于SMAs的OSCs。

事实上，开发一种合适的器件是非常具有挑战性的，要求聚合物给体与聚合物受体相互匹配，从而提高All-PSCs的整体性能。由于开路电压（VOC）与给体的HOMO轨道和受体的LUMO轨道之间的能级差密切相关，而能级偏移则是给受体界面电荷有效分离的关键，通过化学结构的改变来微调给受体材料的能级，同时实现器件中高VOC和高效率的电荷分离一直是OSCs领域的研究热点。



图1:相关分子结构与光谱性能，能级排列图1:相关分子结构与光谱性能，能级排列

基于以上的关键性问题，近日，华南理工大学黄飞教授、王小慧教授以及张凯博士等人合作设计了三种新型聚合物给体分子，分别是JD40，JD40-S和JD40-S-F。这三种给体都是由一种稠环受体单元fDTBT和苯并二噻吩（BDT）结构单元聚合而成，唯一的区别在于硫原子与氟原子的不同取代。研究结果表明，官能化硫或氟取代赋予这些聚合物给体非常相似的带隙和线性变化的能级。通过与该课题组报道过的高性能聚合小分子受体PJ1相匹配，研究人员进一步表征了三种不同器件的光伏性能，并系统地研究了这些器件的电荷分离与复合、载流子运输和共混物形貌。

研究发现，所制备的不同All-PSCs器件都表现出0.9 V以上的高VOC。更重要的是，通过牺牲部分开路电压，这些器件获得了更有效的电荷转移和较少的电荷复合，从而显著提高了短路电流密度（JSC）、填充因子（FF）和PCE。基于JD40:PJ1的All-PSCs最终效率达到了创纪录的15.8%，同时该器件还具有良好的热稳定性，在90℃下退火240小时后，仍能保持初始效率85%以上。此外，该体系在面积为1 cm2的器件和半透明器件方面也表现出了非常优异的性能，PCE分别为14.4%和10.3%。所有的这些结果都表明，fDTBT基团在制备高性能All-PSCs方面的巨大应用潜力。 总之，该工作不仅开发出一系列新型高性能聚合物给体材料，同时证实了能级偏移在促进电荷分离中的重要作用，并证明fDTBT可以作为一种很有前景的聚合物给体构建单元，以用于后续的相关研究之中。

相关研究成果现已发表在《Journal of Materials Chemistry A》上，题为“All-PolymerSolar Cell with Efficiency Approaching 16% Enabled by Dithieno[3',2':3,4;2'',3'':5,6]benzo[1,2-c][1,2,5]thiadiazole (fDTBT)-based Polymer Donor”。 

原标题：黄飞等人：基于fDTBT结构的全聚合物有机太阳能电池效率接近16%