郭旭岗/牛利/郑庆东等合作《AM》：高电子迁移率的区域规则窄带隙n型聚合物可实现高效的全聚合物太阳能电池

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窄带隙(E_g)有机/聚合物半导体是有机太阳能电池(OSC)开发的关键组件，如稠环电子受体(FREA)。结合定制的聚合物供体和器件工程，这些具有出色光学和电学特性的FREA使OSC中的最先进的功率转换效率(PCE)达到17%以上。与基于 FREA的OSC相比，基于聚合物作为电子供体和受体的全聚合物太阳能电池(all-PSC)显示出独特的优点，包括卓越的稳定性和机械强度。然而，由于缺乏高性能聚合物受体，全PSC的发展相对滞后。最近的一系列研究主要通过优化FREA结构，使全PSC的PCE增加了14%以上。尽管聚合FREA取得了显着进展，但仍有一些问题需要解决，以进一步提高全PSC的PCE。首先，FREA中广泛使用的端基是两种极性相似的异构体的混合物，导致聚合物受体具有三种不同异构体的形式。这一特性对聚合FREA的批次间重现性产生负面影响，导致设备性能出现较大偏差。其次，开发具有高电子迁移率的聚合物受体仍然很重要且具有挑战性。虽然通过将联噻吩二亚胺(BTI)引入到基于FREA的聚合物主链中显着改善了所得聚合物受体的电子传输性能，然而，对于全PSCs具有高迁移率的聚合物受体的数量仍然非常有限。此外，已证明将第三个组件引入宿主二元系统是提高富勒烯或基于FREA的OSC的器件性能的有效策略。尽管如此，在三元全聚合物系统中只有少数成功的例子。

鉴于此，广州大学牛利教授、韩国科学技术院Bumjoon J. Kim教授、中科院福建物构所郑庆东研究员、南方科技大学郭旭岗教授通过将两个二溴化稠环电子受体(FREA)分别与二甲烷基化芳族酰亚胺共聚，合成了具有两个缺电子链段的两种区域规则窄带隙聚合物受体L15和MBTI。两种聚合物受体都显示出窄带隙和高电子迁移率。基于L15全PSC具有更广泛的吸收、更好的主链有序和更高的电子迁移率，当与聚合物供体PM6共混时，其功率转换效率(PCE)高达15.2%。更重要的是，以MBTI作为访客引入PM6:L15主机系统所设计的三元全PSC，由于进一步优化的混合形态和更平衡的电荷传输，PCE提高了16.2%，是所有PSC的最高值。这项研究表明开发具有高迁移率的区域规则窄聚合物受体是实现高性能全PSC的有效方法。

文章亮点：

1、基于聚合FREA和BTI单元在提高n型聚合物电子传输能力方面取得的巨大成功，作者首次建设性地整合了这两个重要策略开发了两种新的区域规则窄E_g聚合物受体L15和MBTI。

2、通过充分利用FREA和酰亚胺，两种聚合物受体都显示出窄带隙和高电子迁移率。得益于比其区域随机类似物更广泛的吸收、更好的骨架排序和更高的电子迁移率，基于L15的全PSC在与聚合物供体PM6混合时产生15.2%的高功率转换效率(PCE)。

3、成功设计的高性能的三元全聚合物系统中，MBTI作为第三种成分的引入在平衡相分离和材料结晶以促进激子分离、抑制载流子复合和增强/平衡电荷载流子迁移率方面起着重要作用。通过进一步提高填充因子（FF）和短路电流密度（J_sc），全PSC系统的PCE高达16.2%，是迄今为止所有PSC系统报告的最高值。