浙江大學高分子系有機半導體研究室李昌治研究員（通訊作者）、陳紅征教授、碩士生陳方曉（第一作者）團隊與華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室葉軒立教授合作，提出近紅外非富勒烯受體 (near-infrared nonfullerene acceptors (NIR NFAs, T1–T4))，其具有氟化區域異構體A–Aπ–D–Aπ–A主鏈結構，用于建構可達1000 nm光譜響應的高效率單節和疊層聚合物太陽能電池 (polymer solar cells, PSCs)。該團隊通過調整分子構型的區域異構橋(Aπ)和氟-取代基((F)‐substituents)，大幅改善主鏈結構和共軛作用，有助于獲得光電性能優化的非富勒烯受體(NFA)，這也是影響PSCs器件效率的關鍵要素。
隨著新型光電活性分子的快速發展，聚合物太陽能電池也得到不斷地突破，大放異彩。PSCs的獨特優點在于，化學有機半導體的多功能性和可調節性，因此可大量制備、價格相對較低、成品柔軟可彎曲等特性。例如，近期所發展的近紅外有機材料（帶隙Eg < 1.4 eV）所制備的PSCs，具有NIR高光譜響應度和半透明等特性，基于以上發展，科學家們對疊層和半透明PCSs產生了強烈的探索欲望。
圖1 a）疊層器件結構示意圖。 b) 疊層器件斷面SEM圖。 c）疊層太陽能電池能級分布圖。 d）在AM1.5G（100mW cm -2）照射下最優疊層器件的J-V曲線。
獲得高效率不簡單！
NIR PSCs面臨的挑戰
過去幾年里，許多研究人員投入精力研發NIR有機半導體，但以NIR供體和富勒烯受體的PSC，其能量轉換效率(Power conversion efficiency, PCE)通常低于10%，且外量子效率 (External quantum efficiency,EQE)相對也低。但令人振奮的是，近期已發展出稠環(fused-ring)非富勒烯受體 (nonfullerene acceptors, NAFs)，如IHIC， IEICO， ATT-2， BT-CIC， DTPCIC，和COi8DFIC，為NIR有機半導體提供了新的發展機會，使PSC得以利用近紅外光子來獲得較大的短路電流(Jsc)。
然而，目前NIR有機太陽能電池面臨的最大挑戰，無外乎就是在NIR太陽能電池中獲得較高的光電轉換效率的同時降低能量的損失。此外，通常需通過反復優化器件工藝來獲得最佳的本體異質節 (bulk heterojunction, BHJ)混合形貌（影響PSC整體性能的關鍵）。至今，以富勒烯和NFA供體為基材所制備的PSCs器件，其轉換效率極少可達到大于8%的PCE。
因此，要獲得高效率的PSCs的核心關鍵，就是更深入地探討NIR光活性分子的結構設計，以利于改善、提升BHJ特性，如電子、空穴遷移率等，以達成在低能量的NIR波段中優化PSC器件以提高光電轉換率。
突破效率
關鍵在NIR有機物和器件結構新見解
該團隊運用四個新型結構的近紅外非富勒烯受體NIR NFAs，其具有氟化區域異構體A–Aπ–D–Aπ–A主鏈結構，包括IFIC-i-2F (T1)，IFIC-i-4F (T2)，IFIC-i-6F (T3)，和IFIC-o-4F (T4)，架構出高效率的單結和疊層的PSCs，(如圖１)。這種結構設計調節了IFICs的主鏈剛性、平面性和內部電荷轉移，因此影響了材料的光電特性。這四種IFIC呈現具有廣泛的吸光范圍（Eg 可達 1.27 eV）和微小的能級變化。在PSCs中，盡管具有相似的分子式，通過簡單的溶液制備技術添加PTB7-Th聚合物，可觀察到F在遠端的NFA (T4)，性能為7%，而具有不同F原子的近端的NFA(T1-T3)，PSCs的性能則明顯提升，達到10.10% (T2)。
圖2. T1 (IFIC-i-2F), T2 (IFIC-i-4F), T3 (IFIC-i-6F), and T4 (IFIC-o-4F)化學結構
然而，巧妙的是，該團隊通過添加1% 1-氯萘(CN)作為溶液添加劑，改善共混物的形貌后，具有PTB7-Th：T2共混物的單結PSC可以達到10.87％的能量轉換效率(PCE)（Jsc : 24.85 mA cm-2, Voc: 0.65 V, FF: 0.67）。此外，利用可吸收NIR的 IFIC-4F (T2): PTB7-Th子電池與中間帶隙非富勒烯基ITIC: PBDB-T子電池，來制備出高效率的疊層太陽能電池。
圖3 a） 不加添加劑和1%CN作為添加劑的J-V曲線。 b) EQE曲線。 c）短路電流密度隨光強的變化。 d） PTB7-Th和T2的傅里葉紅外譜圖。 e，f） 光致力顯微鏡圖，其中(e) 1% CN作為添加劑，(f) 不加添加劑。
通過高精密的太陽光模擬器和量子效率量測儀器，測得此器件的光電轉換效率高達14.64 %，是目前獲得效率較高的疊層PSCs，該團隊通過這篇研究，提出了對NIR有機物和器件結構的新見解，也藉此大幅提升了NIR PSCs的效率。
相關論文以 “Near-Infrared Electron Acceptors with FluorinatedRegioisomeric Backbone for Highly Efficient Polymer Solar Cells” 為題發表于《Advanced Materials》（IF=21.950）。研究生陳方曉和博士生劉志璽為論文的共同第一作者，李昌治研究員為通訊作者，該研究得到了國家自然科學基金經費的支持。
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