全聚合物太阳能电池(All-polymer solar cells, all-PSCs) 具备机械强度高，稳定性优良和可拉伸等特性，在可穿戴和柔性设备等实际应用方面有巨大前景。与二元全聚合物太阳能电池相比，三元聚合物太阳能电池可利于扩大活性层的光吸收范围，形成级联能级以及优化形貌，具备获得高光电转换效率（PCE）的潜力。很多工作表明氯原子的吸电子作用以及其空的3d轨道可以容纳共轭单元的π电子，导致聚合物的最高占据轨道（HOMO）的能级降低，从而在器件上可以获得较高的开路电压（V_oc）。

  南方科技大学何凤教授和澳门大学生物健康学院郑文华教授课题组研究发现，J52和J52-Cl具有相似的化学结构（图一），J52-Cl中氯原子的引入微调了其能级排布，使两个给体聚合物之间出现能级差，并有利于形成级联能级。他们以此为启示，利用J52和氯取代的J52-Cl聚合物为共给体, N2200为聚合物受体制备了高效的三元全聚合物太阳电池。结果表明J52-Cl的引用使得基于二元体系J52：N2200体系的V_oc从0.79 V 提高到 0.93 V， 同时PCE从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.

  同时，该课题组用透射电镜（TEM，图二）和掠入射广角χ射线散射(GIWAXS)等手段探究了J52-Cl的引入对三元混合膜形貌的影响。相较于二元体系J52：N2200， 三元体系的混合膜呈现出明显的二维连续的纤维网络结构和合适的相分离区域。GIWAXS图谱也表明三元混合膜具有更小的π-π堆积的距离。这些特性得益于Cl原子的引入提升了分子间的相互作用，从而有助于形成比较大的相分离和较高的区域纯度，从而形成更有利于电荷传输的纤维网状结构。

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.

  该课题组通过光致发光实验，相较于二元体系J52：N2200的85%的猝灭效率，三元体系高达96%的猝灭效率可更有利电子的转移。同时，通过纯给体J-V特性曲线的研究发现，双给体同时存在的器件获得更高的J_sc。在能量损失方面，氯原子的引入有效降低了三元体系非辐射能量的损失，从0.399 eV 降低到0.269 eV，从而使得三元器件的开路电压提高到0.93 V（图三）。

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.

  以上成果发表在ACS Appl. Mater. Interfaces 上。该工作的第一作者为澳门大学-南方科技大学联合培养博士生王欢，通讯作者为南方科技大学化学系教授何凤，共同通讯作者为澳门大学生物健康学院教授郑文华。

  论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c19200