聚合物太阳能电池（PSCs）作为新一代光伏技术因具有低成本加工、质轻、柔性以及半透明等前景而备受关注。近年来，得益于A-D-A型小分子受体（SMAs）材料的快速发展，PSCs已实现超过18%的能量转换效率（PCE）。然而，当前基于SMAs的PSCs的工作稳定性还远不能满足商业化应用要求。与之相比，全聚合物太阳能电池（all-PSCs）由于聚合物给体和聚合物受体链间的紧密缠结作用赋予其更为优异的形貌和机械稳定性。受限于高性能聚合物受体材料的匮乏，目前all-PSCs的器件效率仍滞后于SMAs体系。近期，“SMAs聚合化”策略的提出结合聚合物骨架修饰推动了一系列高效聚合物受体材料的涌现，使得all-PSCs的光伏性能得到大幅提升。尽管如此，同时实现高开路电压 (Voc) 和高短路电流密度 (Jsc) 以进一步推进全聚体系的发展仍颇具挑战性。作者前期的研究工作表明，硒吩取代噻吩能够有效拓宽Y-系列受体材料的光吸收范围，进而提高电池的Jsc；但该方法也因受体的最低未占用分子轨道 (LUMO) 能级的下移而降低了器件Voc值，最终导致PCE增幅有限。
图1. 三种聚合物受体的分子结构及其相应的光电性质。
针对上述问题，香港城市大学任广禹（Alex K.-Y. Jen）教授课题组首次提出了“非对称硒吩稠合”结构的分子设计策略以精准调控硒吩类聚合物受体的光学吸收和电子特性。基于此，该团队发展了窄带隙聚合物受体PYT-1S1Se，并对其光电性质和光伏性能与噻吩类PYT-2S和对称硒吩稠合的PYT-2Se进行了系统研究与比较，建立了清晰的结构-性能关系。结果表明：随着硒吩含量增加，三个聚合物表现出逐步红移的吸收和下降的 LUMO 能级。相较于PYT-2S, 基于 PYT-2Se的all-PSCs其Jsc虽增加但Voc降低，结果PCE提升幅度较小，由14.9%增至15.5%。有趣的是，除了低至0.502 eV的能量损失外，对于PYT-1S1Se体系其Voc与Jsc之间的消极平衡得到最小化，且更为有利的活性层形貌和平衡的电荷传输促使其拥有最高的填充因子，最终取得了高达16.3%的PCE。此外，相比于小分子受体Y6体系，基于PYT-1S1Se的all-PSCs具有更为优异的光照和热稳定性。该研究为开发高性能聚合物受体材料提供了新的研究思路和方向。
图2. 基于三种聚合物受体的all-PSCs光伏性能对比以及与小分子Y6体系的稳定性对比。
详见：Huiting Fu, Qunping Fan, Wei Gao, Jiyeon Oh, Yuxiang Li, Francis Lin, Feng Qi, Changduk Yang, Tobin J. Marks, Alex K.-Y.Jen. 16.3% Efficiency Binary All-Polymer Solar Cells Enabled by a Novel Polymer Acceptor with an Asymmetrical Selenophene-Fused Backbone. Sci. China Chem. 2021, DOI: 10.1007/s11426-021-1140-x.
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