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  全聚合物太陽能電池(All-polymer solar cells, all-PSCs) 具備機械強度高，穩定性優良和可拉伸等特性，在可穿戴和柔性設備等實際應用方面有巨大前景。與二元全聚合物太陽能電池相比，三元聚合物太陽能電池可利于擴大活性層的光吸收范圍，形成級聯能級以及優化形貌，具備獲得高光電轉換效率（PCE）的潛力。很多工作表明氯原子的吸電子作用以及其空的3d軌道可以容納共軛單元的π電子，導致聚合物的最高占據軌道（HOMO）的能級降低，從而在器件上可以獲得較高的開路電壓（V_oc）。

  南方科技大學何鳳教授和澳門大學生物健康學院鄭文華教授課題組研究發現，J52和J52-Cl具有相似的化學結構（圖一），J52-Cl中氯原子的引入微調了其能級排布，使兩個給體聚合物之間出現能級差，并有利于形成級聯能級。他們以此為啟示，利用J52和氯取代的J52-Cl聚合物為共給體, N2200為聚合物受體制備了高效的三元全聚合物太陽電池。結果表明J52-Cl的引用使得基于二元體系J52：N2200體系的V_oc從0.79 V 提高到 0.93 V， 同時PCE從8.55%提高到11.02%。

Figure. 1. (a) Chemical structures of J52, J52-Cl and N2200. (b) Normalized absorption spectra of J52, J52-Cl and N2200 in neat films. (c) Molecular energy level diagrams of J52, J52-Cl and N2200.

  同時，該課題組用透射電鏡（TEM，圖二）和掠入射廣角χ射線散射(GIWAXS)等手段探究了J52-Cl的引入對三元混合膜形貌的影響。相較于二元體系J52：N2200， 三元體系的混合膜呈現出明顯的二維連續的纖維網絡結構和合適的相分離區域。GIWAXS圖譜也表明三元混合膜具有更小的π-π堆積的距離。這些特性得益于Cl原子的引入提升了分子間的相互作用，從而有助于形成比較大的相分離和較高的區域純度，從而形成更有利于電荷傳輸的纖維網狀結構。

Figure 2. Tapping mode AFM height images (10 ×10 um) of the blend thin ?lms:(a) J52:N2200 (b) J52:J52-Cl (1:3):N2200 (c) J52-Cl:N2200; Bright-?eld TEM images of the blend thin ?lms:(d) J52:N2200 (e) J52:J52-Cl (1:3):N2200 (f) J52-Cl:N2200.

  該課題組通過光致發光實驗，相較于二元體系J52：N2200的85%的猝滅效率，三元體系高達96%的猝滅效率可更有利電子的轉移。同時，通過純給體J-V特性曲線的研究發現，雙給體同時存在的器件獲得更高的J_sc。在能量損失方面，氯原子的引入有效降低了三元體系非輻射能量的損失，從0.399 eV 降低到0.269 eV，從而使得三元器件的開路電壓提高到0.93 V（圖三）。

Figure 3. (a) PL spectra of J52 and the binary and ternary blend ?lms (excited at 600 nm). (b) J-V curves of donor-only devices. (c) The FTPS-EQE (d) The EL quantum ef?ciencies (e) J_ph-V_eff curves (f) J_sc versus light intensity of devices based on J52:N2200, J52:J52-Cl (1:3):N2200 and J52-Cl:N2200.

  以上成果發表在ACS Appl. Mater. Interfaces 上。該工作的第一作者為澳門大學-南方科技大學聯合培養博士生王歡，通訊作者為南方科技大學化學系教授何鳳，共同通訊作者為澳門大學生物健康學院教授鄭文華。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c19200