第一作者：陈露，易际埕，马睿杰

通讯作者：马睿杰，张光烨，李刚，颜河

通讯单位：深圳技术大学，香港理工大学，香港科技大学

DOI: 10.1002/adma.202301231

1、研究背景

目前，有机太阳能电池 (OSC) 领域中的高功率转换效率（PCE>19%）都是由基于苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩 (BDT) 结构单元的聚合物给体实现的。与BDT相比，苯并 [1,2-b:4,5-b'] 二呋喃 (BDF) 单元的尺寸更小，可以减少空间位阻，使得分子堆积更紧密、电荷载流子的流动性更高。同时，呋喃具有生物可再生性，比噻吩更环保，有利于大规模合成和回收利用。这些优势使得基于BDF骨架的聚合物给体材料在OSC的商业化前景中更具竞争力。然而，基于 BDF的OSC器件目前最佳的PCE仅为~17%。

与材料和器件性能均得到广泛研究的 BDT 的聚合物相比，基于 BDF 的聚合物的进展主要由材料设计驱动。例如，我们最近展示了一种名为 D18-Fu 的高效 BDF 聚合物，其与 Y6-1O 的PCE 为 16.38%。初步尝试表明：使用富勒烯作为第三组分的三元策略可以将这一体系的PCE提升至 17.07%。然而，那只是我们的第一次尝试。正如结构-性能关系所表明的那样，当引入新主链时，聚合物的特性及其在 OPV 器件中的性能可能会发生很大变化。因此，我们相信，只要进行适当的器件工程，新型 BDF 聚合物同样可以实现顶级的PCE。

2、研究成果

此工作中，我们利用 D18-Fu 实现了高达18.4%的PCE。我们使用D18-Fu 和 L8-BO 的组合构建活性层，同时掺入最常用的溶剂添加剂之一——1-氯萘 (1-CN) 的异构固体添加剂2-氯萘 (2-CN)来调整薄膜形态。通过原位吸收技术研究的得到的机理表明：2-CN可以改变给体和受体主峰/副峰的出现顺序和速度，有助于实现最理想的分子堆积、结晶度、相分离和垂直组成分布，从而最大限度地减少能量损失。此外，理论计算表明，2-CN 和 L8-BO 之间的相互作用可以使得垂直于受体分子平面的偶极矩增强，从而使受体更快地成核和结晶。为了证明 2-CN 作为有效添加剂的普适性，我们评估了 2-CN 在另外两个常用材料体系 PM6:Y6 和 PM6:PY-IT 中的性能（1-CN 已被证明在这些体系中有着很强的性能优化作用）。我们发现2-CN在这些系统中略优于 1-CN，这不仅证实了2-CN作为固体添加剂策略的广适用性，更表明 D18-Fu:L8-BO 中形貌学形成与基于 PM6 的系统有很大不同。

3、图文介绍

图1. 活性层材料和添加剂的分子结构式；器件的光伏基础物理和表征以及薄膜的基本性质。

要点：

1、基于苯并 [1,2-b:4,5-b'] 二呋喃 (BDF) 骨架的聚合物给体类有机光伏器件的纪录效率（18.4%）。

2、2-CN处理体系的能量损失有明显减小。

图2. 对活性层沉积过程的原位吸收表征

图3. 光伏器件的能损表征

4、小结

我们通过精细的器件工程手段实现了基于 BDF的聚合物给体的效率突破。我们采用了最新的高性能 BDF 给体D18-Fu 并将其与 L8-BO 结合，通过使用 2-CN 作为固体添加剂进行了形貌学优化，最终使 BDF 聚合物的 PCE 达到创纪录的18.4%。我们利用原位技术详细研究了形貌的形成过程，通过 GIWAXS、FLAS 等形貌和器件表征手段并辅以 DFT 计算，全面研究了 2-CN与其常见异构体1-CN在工作机制上的异同。此外，我们证明了 2-CN 也可以提高 PM6:Y6 和PM6:PY-IT 的 PCE，但幅度较小。这表明 2-CN 可以像 1-CN 一样作为通用溶剂添加剂来改善更多体系的形貌学，但其形貌调节机制可能与1-CN 截然不同。总的来说，在 BDF 聚合物的 PCE 提升的基础上，我们的工作表明了现有或即将推出的 BDF 聚合物给体的巨大潜力，并揭示了异构 CN 添加剂在改变不同材料系统的形貌学中的差异化作用，这也进一步表明了合理的材料选择和形貌优化对于 OSC 领域具有重要意义，它可以发挥与材料合成同等重要的作用。

除主要参与者外，该工作也得到香港理工大学李明杰教授，香港中文大学路新慧教授，香港科技大学广州校区吴佳莹教授，东华大学胡华伟教授和马在飞教授的大力支持。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202301231

5、通讯作者简介

马睿杰，香港理工大学卓越博士后研究员。2014-2018年于浙江大学取得物理学学士学位，2018-2022年在香港科技大学攻读化学博士学位（导师：颜河教授）。2022年8月加入香港理工大学电子与信息工程系李刚教授团队。主要从事第三代太阳能光伏器件的前沿科研。2018年入选香港政府研究生奖学金计划（HKPFS）。作为第一或通讯作者参与发表影响因子大于20的期刊论文25篇， 包括：Joule (2篇)，Adv. Mater (2 篇)，Energy. Environ. Sci (2篇)，Nati. Sci. Rev. (1篇)，Adv. Energy Mater (3篇)，ACS Energy. Lett (4篇)， Carbon Energy (1篇)。总引用次数超过4600次，H-因子 38。2022年入选科睿唯安数据库交叉领域“全球高被引科学家”。

张光烨，深圳技术大学，新材料与新能源学院助理教授，深圳市B类海外高层次人才。2009年本科毕业于中国科学技术大学材料物理专业，2015年博士毕业于美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）化学系并在UCLA担任讲师。2016年起在香港科技大学进行博士后研究，2017年担任香港科技大学深圳研究院研究助理教授。2018年作为共同创始人创办了有机光伏公司以推动有机光伏的产业化进程。2020年加入深圳技术大学。主要研究兴趣是有机半导体材料、器件及物理，在有机光伏领域有十余年的研发及产业化经验。累计发表论文70余篇，引用六千余次，h因子43。2022科睿唯安高被引学者，多次入选全球前2%顶尖科学家榜单。

李刚，香港理工大学电子及资讯工程学系 讲席教授，鍾士元爵士可再生能源冠名教授。研究聚焦于可印刷太阳能电池（有机聚合物太阳能电池，钙钛矿太阳能电池）及相关领域。本科毕业于武汉大学空间物理学系，爱荷华州立大学凝聚态物理博士及电机工程硕士。2016年来港前为加州大学洛杉矶分校UCLA研究教授。李刚教授发表科技期刊论文200余篇，被引七万三千余次，H-因子84（谷歌学术）。他是美国光学学会会士（Optica Fellow）英国皇家化学会会士（RSC Fellow），国际光电工程学会会士（SPIE Fellow）香港研究资助局高级研究学者 (RGC SRFS)。自2014年至今为汤森路透/科睿唯安 全球高被引科学家（材料科学，化学，物理, 交叉领域）。

颜河，香港科技大学教授，2020年腾讯科学探索奖的50位获奖人之一，在有机电子材料领域有多年研究经验，曾创办著名的Polyera公司。2009年，颜河教授课题组在《自然》杂志上发表了一个高迁移率的n型有机半导体高分子材料。此材料被誉为开启了“新晶体管时代”并登上了《自然》的封面。回到香港科大后，颜河从事有机太阳能领域的研究。在过去几年中多次打破有机太阳能电池的世界纪录。颜河教授的研究成果在2015年被美国国家可再生能源实验室收录进著名的“best research-cell efficiency chart”世界纪录表。

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