“小分子受体高分子化”推动全聚合物太阳电池新发展

近年来，聚合物太阳电池（PSCs）以其重量轻、价格低廉、可通过印刷方式制备大面积柔性器件等优势，得到了学术界和工业界的广泛关注，是重要的前沿研究领域。值得注意的是，由聚合物给体和聚合物受体构筑的全聚合物太阳电池（all-PSCs）在器件稳定性和机械柔韧性上具有独特优势，具有应用于可穿戴及柔性可拉伸光伏器件的潜力。而对于这一美好愿景，高性能聚合物受体是关键。在近期的Angew. Chem. Int. Ed.上，中科院化学所李永舫院士（点击查看介绍）和北京化工大学张志国教授（点击查看介绍）将他们提出的“小分子受体高分子化”（Polymerized Small Molecule Acceptors，PSMAs）的概念以及近年的研究进展做了详尽介绍，并对未来发展给出了多项前瞻性的建议。

PSCs由聚合物给体和有机半导体受体共混组成，关于受体的选择在PSCs这一概念提出时就存在两种技术路线，一种是以富勒烯受体（如PCBM）为代表的小分子受体，另外一种是聚合物受体。从材料发展的角度回顾PSCs的发展历程，在1995年到2015年这一阶段，人们基于PCBM或其它富勒烯衍生物（如ICBA）为受体，通过给体聚合物的设计使得PSCs的效率稳步提升。2015年占肖卫通过构筑受体-稠环给体-受体（A-D-A）窄带隙小分子受体（Small Molecule Acceptors, SMAs），克服了富勒烯受体能级不易调节、光吸收波长范围窄的缺点，使得PSC的效率获得显著提升，并使SMA成为了受体的主流。在此基础之上，2019年邹应萍等在稠环核中引入吸电子基团构筑了A-DA’D-A结构Y6型SMAs，进一步拓展了吸收光谱，Y6型SMAs的开发以及相关PSC器件的研究最近实现了超过18%的能量转换效率(PCE)，这使得PSC达到了可以向实际应用发展的阶段。而要实现应用，就必须关注稳定性问题。使用聚合物受体的all-PSC则具有稳定性好的优点，是实现PSC实际应用的有力候选。

在2016年之前，使用最广泛、性能最为优异的当属萘酰亚胺类聚合物受体（如N2200）。但是，截止2015年，以N2200为受体的all-PSCs的最高PCE只有5.7%。

图1. 以“小分子受体高分子化”概念构思的《德国应用化学》卷首图。

2016年李永舫院士课题组采用聚合物给体和聚合物受体吸收光谱互补的概念，使用具有中间带隙的苯并三氮唑给体聚合物J51与N2200匹配，实现了8.27%的PCE，刷新了当年all-PSC效率纪录。后继研究中，华南理工大学学者同样采用吸收互补的策略，基于新型苯并三氮唑聚合物给体和形貌调控，基于N2200的all-PSC的最高效率突破了11%。然而N2200吸收较弱的固有缺陷成为了all-PSC性能提升的瓶颈。

考虑到窄带隙小分子受体具有宽和强的吸收以及合适的电子能级的突出优点，2017年，李永舫院士和张志国博士提出了“小分子受体高分子化”（PSMAs）的概念（Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 13503-13507），以当时的高效小分子受体IDIC为分子骨架、与噻吩链接单元共聚，合成了窄带隙、强吸收的聚合物受体PZ1。PZ1具有1.55 eV的窄带隙和高吸收系数（1.3×10⁵ cm^-1）。用宽带隙聚合物PBDB-T作为给体和PZ1为受体的all-PSCs获得了9.19％的高PCE，这是all-PSCs效率同期报道的最高值。这种小分子受体高分子化合成聚合物受体的策略，在保持SMAs性能的同时，还能带来聚合物的形貌稳定性和热稳定性高、机械可拉伸性能强等优点，这为开发高效聚合物受体提供了新思路。

得益于其突出的优势，近年来PSMAs概念受到了广泛关注，国内外多个课题组从事了相关研究，并且在分子结构上也得到了拓展（主要是拓展到基于A-DA’D-A结构的SMA的高效聚合物受体），PSMAs已发展成为一个重要的研究方向。在最近的一期Angew. Chem. Int. Ed. 中，李永舫院士和张志国博士从历史发展的角度回顾了all-PSCs的发展历程、存在问题、解决方法以及这些方法的局限性，介绍了PMSAs这一概念提出的研究背景；然后他们介绍了国内外课题组基于这一策略构筑的各种PMSAs类聚合物受体；最后的展望部分，他们提出PSMAs类受体也能像SMAs一样，实现接近小分子受体的高的能量转换效率，并对该领域进一步发展提出了多项前瞻性的建议。

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Polymerized Small‐Molecule Acceptors for High‐Performance All‐Polymer Solar Cells

Zhi‐Guo Zhang, Yongfang Li

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 4422-4433, DOI: 10.1002/anie.202009666

导师介绍

李永舫

https://www.x-mol.com/university/faculty/15474

张志国

https://www.x-mol.com/university/faculty/279025

文章信息：

1. Zhang, Z.-G*.; Yang, Y.; Yao, J.; Xue, L.; Chen, S.; Li, X.; Morrison, W.; Yang, C.; Li, Y.* Constructing a Strongly Absorbing Low-Bandgap Polymer Acceptor for High-Performance All-Polymer Solar Cells. Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 13503-13507.