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  全聚合物太陽能電池（all-PSCs）作為有機太陽能電池的重要一類，其光吸收層（電子給體/電子受體）全部由聚合物材料組成。相比于基于小分子受體（富勒烯/非富勒烯）的有機太陽能電池，全聚合物太陽能電池具有更優異的器件性能穩定性和機械性能，在柔性、可穿戴電子領域具有巨大的應用潛力，因此，發展高效的all-PSCs具有重要的科學意義和商業應用價值。目前高性能聚合物電子受體材料的缺乏是制約all-PSCs發展的瓶頸，一方面經典的稠環芳香酰亞胺基聚合物受體具有高遷移率但對近紅外光的吸收有限；另一方面，盡管近來基于稠環電子受體的聚合物受體材料展現出很強的近紅外光吸收能力，但這類材料電子遷移率相對較低。

圖1. (a) 區域結構不規整的聚合物受體材料L14與本工作中區域結構規整的聚合物受體L15和MBTI; (b)和(c) 聚合物的吸收光譜; (d) 聚合物的前線分子軌道能級。

  針對此，南方科技大學郭旭崗教授團隊聯合中科院福建物構所鄭慶東研究員和廣州大學牛利教授，結合稠環雙噻吩酰亞胺和稠環電子受體兩類缺電子構筑模塊的優勢，研發出具有窄帶隙、高遷移率的新型聚合物受體材料L15和MBTI（圖1a）。相對于區域結構不規整的聚合物受體L14，具有區域結構規整性的L15使得聚合物展現出更優的吸收光譜（圖1b和1c）和更高的主鏈堆積有序性（圖2e和3f），L15表現出該類受體材料的最高電子遷移率（圖2a，2b和2c）。基于L15的all-PSCs取得了15.2%的能量轉換效率（圖3a-c），該效率是雙組分all-PSCs的最高值之一（圖3d）。更為重要的是，含有苯并噻吩核心的MBTI具有比 L15 更高的前線分子軌道能級，與 L15 和聚合物給體 PM6 形成梯度能級排列（圖1d）。基于此，作者制備了三組分 all-PSCs，其中 MBTI 作為第三組份引入到 PM6:L15 主體系。受益于進一步優化的混合膜形貌（圖4和5），該all-PSCs的能量轉換效率高達 16.2%（圖3d）。

圖2. (a)和(b) L14和L15在有機場效應晶體管器件中的轉移曲線; (c) L14和L15的SCLC電子遷移率曲線; (e)和(f) L14和L15高分子薄膜的一維和二維掠入射廣角X射線散射(GIWAXS)圖。

圖3. (a-d) 全聚合物太陽能電池的性能特征曲線及效率統計數據; (e) 全聚合物太陽能電池的J_ph–V_eff曲線; (f) 全聚合物活性層的SCLC電子遷移率曲線。

圖4. (a-d) 聚合物純膜和混合膜的AFM高度圖; (e-h) 聚合物純膜和混合膜的AFM相圖;(i-l) 聚合物純膜和混合膜的TEM圖。

圖5.二元和三元體系高分子混合膜的(a)二維和(b)一維GIWAXS圖。

  最近該工作以“Regioregular Narrow-Bandgap n-Type Polymers with High Electron Mobility Enabling Highly Efficient All-Polymer Solar Cells.”為題在線發表在《先進材料》（Adv. Mater. 2021, 2102635.，影響因子: 30.85）。該項研究為發展高性能聚合物受體材料提供了新的設計思路和材料基礎。韓國科學技術研究院的Bumjoon Kim研究員為本工作提供形貌表征等技術支持。

  該論文的第一作者為孫會靚博士和劉斌博士，通訊作者為郭旭崗教授，牛利教授和鄭慶東研究員，Bumjoon Kim研究員。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202102635