摘要：
北京化工大学李韦伟教授团队设计合成了两种基于不同分子结构对称性的N环化苝酰亚胺双缆聚合物，并对其光学、电学、热学性质以及光电性能进行了系统的研究。研究发现，具有不对称结构的as-PPNR比对称结构的s-PPNR拥有更好的结晶性和相分离结构，从而使得能量转换效率由3.34%提升至5.05%，并且两种聚合物的开路电压均能达到接近1.20 V，这也是目前基于双缆聚合物的单组分太阳能电池的最高电压。
文章内容：
有机太阳能电池因其质轻、柔性、可大面积制备等优点而具有极大的应用前景。有机太阳能电池的能量转换效率通常由短路电流密度（Jsc）、填充因子（FF）及开路电压（Voc）所决定。研究人员一直致力于提升有机太阳能电池的短路电流密度和填充因子，而在一定程度上忽略了对开路电压的研究。许多应用领域对开路电压有严格的要求，例如叠层电池的前电池及室内光伏，但是有机太阳能电池的开路电压通常被限制在0.8-0.9 V之间，从而限制了其效率的进一步提升。一般而言，OSCs的Voc值是由电子给体的最高占据分子轨道(HOMO)与电子受体的最低未占用分子轨道(LUMO)之间的能量差所决定。基于此，有两种获得高开路电压的分子设计策略：降低给体材料的HOMO能级或上调受体部分的LUMO能级。因此，分子结构设计中用来实现这两个目标的方法包括共轭主链工程(引入杂原子，如S，F，Cl和N)和侧链工程(不对称设计和共轭侧链修饰)。现今，基于双组分的OSC的Voc已接近1.30 V，对应的PCE也超过了13%。然而，长期以来，受限于有限的分子材料种类，基于单组分双缆聚合物SCOSCs中高Voc的报道并不多见（图1a），并且其能量转换效率普遍处于3%以下。
本文中，北京化工大学李韦伟教授团队将N环化苝酰亚胺受体引入单组分双缆聚合物有机太阳能电池。N环化苝酰亚胺当中的氮原子不仅可以有效提升受体苝酰亚胺的LUMO能级而且也提供了后续反应位点，从而为获得高电压材料及构筑材料的新结构奠定了基础。通过设计对称和不对称结构，作者合成了两种不同结构的双缆共轭聚合物，根据对称性的不同命名为s-PPNR和as-PPNR，如图1(c-d)所示。进一步通过对双缆聚合物的光学和热学性能研究表明，两种以N-环状PBI为受体的双缆聚合物有机太阳能电池活性层具有合适的光谱互补吸收，稳定的热学性质，如图2(a-b)所示。而电学研究表明N原子的引入使得受体部分的LUMO能级得到有效提升，如图2(c)所示，从而两种双缆聚合物都获得了1.16 V以上的高开路电压，图1(a)汇总了多种已报导的单组分有机太阳能电池的电压与器件效率关系，s-PPNR和as-PPNR是基于双缆的SCOSCs中最高的Voc。如图4，同步辐射研究表明，不对称结构的as-PPNR具有明显优于对称结构的s-PPNR的结晶性及相分离结构，这使得as-PPNR获得了5.05%的能量转换效率。（图3和表1汇总了两种聚合物的器件参数）
该研究工作表明，引入N环化苝酰亚胺及合理设计分子结构对称性，对提升双缆高分子材料的单组分太阳能电池开路电压以及获得高结晶性、良好的相分离结构，进而实现较高的光电转换效率是十分有效的策略。该工作为合理设计高开路电压、高性能的有机太阳能电池材料提供了指导方向。
图1 (a)基于单组分聚合物的SCOSCs的PCE与电压的关系。(b-d)聚合物给体PBDB-T-Cl、小分子受体PNR和双缆聚合物s-PPNR和as-PPNR的化学结构。
相关成果以“N-annulated Perylene Bisimides-based Double-Cable Polymers with Open-circuit Voltage approaching 1.20 V in Single-Component Organic Solar Cells”为题发表在美国化学会旗舰期刊ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES上。硕士生王若瑶为论文第一作者。研究工作得到科学基金(JQ210065)和国家自然科学基金(52073016, 92163128,21905018)联合资助。