颜河&陈尚尚Nat. Commun.：富勒烯客体聚合物提升光伏器件机械稳定性，全聚合物太阳能电池效率突破18%

有机太阳能电池由于其轻薄、透明、柔性、易加工等特点，近年来得到科研群体的广泛关注。目前基于聚合物给体和小分子受体的太阳能电池已经突破19%的能量转化效率, 接近实现商业化的标准。富勒烯受体通常具有优异的电子传输性能，可以作为三元有机太阳能电池的客体组分，以提高电荷的提取和光伏效率。然而，传统的富勒烯小分子通常会出现不理想的相分离和二聚化，使得器件效率与稳定性降低，从而限制了它们在有机太阳能电池中的应用。

近期，香港科技大学颜河与南京大学陈尚尚课题组报道了一种聚富勒烯受体(PFBO-C12)，将其作为客体组分引入到全聚合物体系，可以将二元器件的光伏效率从16.9%显著提高到三元器件的18.0%。超快光谱和光电物理研究揭示PFBO-C12可以促进空穴转移和抑制电荷复合。形貌研究表明，三元共混物具有较高的结晶度和较小的相分离尺寸。同时，PFBO-C12的引入降低了电压损失，使全聚合物太阳能电池在柔性设备中具有优异的光稳定性和机械耐久性。这项工作表明，引入聚富勒烯作为客体组分，是实现高效、稳定的全聚合物太阳能电池的有效途径。

首先，作者通过已报道的ATRP聚合方法得到通过对二甲苯链接的聚富勒烯材料，PFBO-C12。此方法相较传统PCBM的合成方法，省去了复杂的柱色谱分离纯化，仅需要进行索氏提取纯化，大大提升了富勒烯的利用率、降低了合成成本。电化学测试（CV，图1b）表明其电化学能级与PCBM相当。紫外可见光谱（UV-Vis,图1c）表明PFBO-C12同PCBM一样可以与聚合物给体（PM6）/聚合物受体（PY-V-γ）形成互补的光谱吸收。与此同时，共混膜吸收光谱表明，PCBM与PFBO-C12的加入都可以促进受体部分的吸收强度增强(图1d)，而基于PFBO-C12的三元共混薄膜在300-500 nm波长范围内表现出稍强的响应，这将有利于光子收集与光电流产生。

图1.本文涉及的分子结构，电化学能级图，紫外可见光谱（纯相c，混合相d）

因此，基于PM6: PY-V-γ:PFBO-C12的光伏器件实现了18.0%的能量转化效率，这也是目前报道的最高全聚合物太阳能电池效率之一（图2a-c）。聚富勒烯的引入能够有效的抑制电荷复合以及增强光伏器件的载流子迁移率（图2d-e）。相较于二元全聚合物体系，升高的短路电流（J_SC）得益于上述提升的光谱性质，而显著提升的填充因子（FF）则主要得益于更为优化的形貌特征。结晶性与相分离的形貌实验中也表现出了与光伏性能一致的趋势：基于PFBO-C12的共混膜表现出增强的面外衍射强度（图3b）与抑制的相分离尺寸（图3d）。

图2.光伏器件效率表征结果；电荷收集与复合，载流子迁移率结果

图3.结晶性与相分离表征结果（GIWAXS & GISAXS）

此外，基于上述实验，作者又对三组材料体系进行了系统的光物理实验表征（图4），瞬态吸收实验观察到与上述实验一致的电荷转移结果：在三元体系中，PCBM和PFBO-C12都可以促进激子的扩散与分离；而无论是长波还是短波激发，基于PFBO-C12的三元体系皆表现出最快的空穴转移与电子转移时间。

图4. 瞬态吸收实验结果

最后，作者对器件的稳定性方面又进行了表征。结果表明，同时，PFBO-C12的引，使全聚合物太阳能电池在柔性设备中具有优异的光稳定性和机械耐久性。在器件的弯折实验中，表现出足够好的柔韧性。

图5. 器件光稳定性和机械稳定性表征