相比于其他類型的有機太陽能電池，全聚合物太陽能電池（all-PSCs）因其具有良好的光熱穩定性和優異的機械柔韌性而受到廣泛關注。隨著“聚合化小分子受體（PSMAs）”這一策略的提出，經過近些年的快速發展，all-PSCs的能量轉換效率（PCE）已超過16%。然而，一方面，報道的大多數給體-受體（D-A）型PSMAs表現出有限的電子遷移率（μes ≈10-4~10-5 cm2 V-1 s-1），這限制了電子的傳輸/收集；另一方面，低數均分子量（Mn ≈7~15 kDa）的PSMAs也會影響到器件長期運行穩定性以及未來柔性可拉伸器件的應用。因此，開發兼具高電子遷移率和高分子量的聚合物受體至關重要。
圖1.（a）all-PSCs中的聚合物受體化學結構和器件結構示意圖；（b）錫化單體BSeI-Tin和（c）聚合物受體的合成路線圖。
在近年來研究中，南方科技大學郭旭崗教授團隊發現雙噻吩酰亞胺及其衍生物是一類發展高性能D-A型n-型聚合物的優秀基元（Acc. Chem. Res. 2021, 54, 3804-3817）。除了傳統的D-A高分子骨架構建策略之外，最近興起的受體-受體（A-A）型策略已經被證實為發展共面性高、能級低和遷移率高的n-型聚合物有效方法之一。在此基礎上，該團隊發展了錫化雙噻吩酰亞胺（BTI-Tin），基于此制備了一系列A-A型n-型聚合物（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 14449-14457; Adv. Mater. 2020, 32, 2004183; J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 1539-1552; Adv. Mater. 2021, 33, 2102635; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202214192; Adv. Mater. 2023, 35, 2210847），并大幅度提升了有機電子器件的性能。
為了更好的比較PY5-BSe和PY5-BSeI的電子傳輸性質，該團隊通過有機場效應晶體管（OTFT，圖3a-b）和空間電荷限制電流法（SCLC，圖3c）分別測試了兩個聚合物受體的電子遷移率。經過器件優化后，PY5-BSeI測得的最大電子遷移率分別為μe,OTFT =0.29 cm2 V-1 s-1和μe,SCLC =1.03×10-3 cm2 V-1 s-1，遠高于PY5-BSe（μe,OTFT =0.066 cm2 V-1 s-1和μe,SCLC =3.81×10-4 cm2 V-1 s-1）。隨后通過對掠入式廣角X射線衍射（GIWAXS）進行分析（圖3d-f）發現，PY5-BSeI薄膜表現出更高的結晶度，這與其更高的電子遷移率結果是一致的。
圖3.（a-b）聚合物受體在有機場效應晶體管中的轉移曲線圖；（c）聚合物受體通過SCLC測試的電子遷移率曲線圖；（d-f）聚合物受體薄膜的二維和一維GIWAXS圖。
圖4.（a）優化all-PSC器件的J-V曲線；（b）PCE與Mn的關系圖；（c）優化all-PSC器件的EQE曲線；（d）15個器件效率統計分布圖；（e）共混膜的SCLC電子遷移率；（f）共混膜的SCLC空穴遷移率。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202308306
郭旭崗教授課題組網址：https://faculty.sustech.edu.cn/guoxg/
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