南開大學陳永勝教授團隊 Angew：全鹵噻吩固體添加劑實現效率超過18%的全聚合物太陽能電池
2024-01-07 來源：高分子科技
文章主要亮點
基于PM6:PY-IT的全聚合物太陽能電池器件效率達到18.3%，位于高效全聚太陽能電池之列；
發展了基于噻吩的結構簡單的固體添加劑，實現對全聚合物活性層形貌的有效調控；
3,4-二溴-2,5-二碘噻吩作為固體添加劑在全聚體系中具有普適性。
全聚合物有機太陽能電池（APSCs）在超薄、柔性可拉伸電子器件中具有良好的應用前景。近年來，聚小分子受體材料（PSMAs）的發展克服了傳統D-A型聚合物受體的一些不足，并且兼具小分子受體摩爾吸光系數高、結構性能易調控的特點；隨著一系列新型PSMA的報道，APSCs的能量轉換效率提高到超過18%，與基于小分子受體的有機太陽電池的器件性能差距正在縮小。為了進一步提高有機光伏器件效率，通過活性層形貌調控優化器件中的光電轉換過程是非常必須的；在全聚合物體系中，由于給體和受體材料的結構相似性以及聚合物較大的分子量和復雜的多級結構，基于全聚合物的活性層形貌調控更具有挑戰性。在已報到的高效APSC中，1-氯萘（1-CN）作為液體添加劑調控全聚合物活性層形貌及器件性能是最普遍的策略；但1-CN高沸點的特性導致在成膜過程中難以徹底的除出，對器件的穩定性和大面積制備產生不利影響。易揮發的固體添加劑（SA）作為新型的形貌調控手段在小分子受體材料體系中應用廣泛，器件性能和穩定性得到提升；然而該策略在全聚合物材料體系中報道較少，結構簡單且具有普適性的固體添加劑更是鮮有報道。
圖1：a) 聚合物給體PM6和聚合物受體PY-IT的結構式；b) 固體添加劑的化學結構；c)固體膠添加劑的表面靜電式示意圖；d) PM6和PY-IT的（010）相干長度示意圖。
針對該關鍵問題，南開大學化學學院陳永勝教授、材料科學與工程學院闞斌研究員和中國科學院重慶綠色智能技術研究院段泰男副研究員發展了一系列基于全鹵素取代噻吩的固體添加劑（圖1），有效調控了全聚合物體系中聚合物給體和聚合物受體的分子堆積和活性層形貌，實現了效率超過18%的APSCs。在該系列SA的設計中，作者以有機光電材料中最簡單的噻吩單元作為基礎，通過引入具有較大原子半徑的Br和I原子，獲得了與聚合物活性層材料具有強相互作用的全鹵噻吩固體添加劑，分別是3,4-二溴-2,5-二碘噻吩（SA-T1）、2,5-二溴-3,4-二碘噻吩（SA-T2）、2,3-二溴-4,5-二碘噻吩（SA-T3）。基于聚合物給體PM6和聚合物受體PY-IT體系，通過理論計算和GIWAXS分析，該系列添加劑可以同時增強PM6和PY-IT的分子堆積和結晶性，提高其電荷遷移率。
圖2：a) 共混薄膜的AFM形貌圖；b) 共混薄膜的GIWAXS；c) 相分離尺寸直徑示意圖；d) （010）和（100）的相干長度（CL）示意圖。
與基于PM6:PY-IT的未經處理的薄膜相比，經過該系列固體添加劑處理的活性層形貌形成了更為合理的相分離尺寸，共混薄膜中PM6和PY-IT的分子堆積也得到顯著的增強（圖2）；因此，全聚合物器件電荷傳輸更為高效和平衡、電荷復合也得到降低，器件的短路電流密度和填充因子顯著提高，效率從14%大幅提高到17.4-18.3%（圖3），說明該系列添加劑在制備高性能全聚有機太陽電池中具有優勢。值得注意的是，經過SA-T1處理的器件效率達到18.3%，是目前二元全聚體系的高效器件之一；其在厚膜器件（~250 nm）、大面積器件（~1.32 cm2）和柔性器件也實現了超過15%的效率。隨后，作者通過原位熱退火紫外-可見吸收光譜分析發現該系列固體添加劑的引入可以重構全聚合物薄膜中的成膜過程，利于形成具有合適相分離的纖維薄膜形貌，解釋了對應器件中短路電流密度和填充因子提高的成因。最后，作者也將SA-T1引入到PM6:PY-DT，PM6:PY-V-g和PM6:PYF-T-o等三種全聚體系中，證實了該添加劑在調控全聚體系活性層形貌、實現高效APSCs的普適性。
圖3：a) 器件的J-V曲線；b)器件的效率分布示意圖；c) 250nm厚膜器件的J-V曲線；d) 器件熱穩定性變化曲線；e) 能量損失分析；f)空穴和電子遷移率。
總之，本文針對APSC中活性層形貌調控困難、調控手段較為缺少的關鍵問題，發展了系列結構簡單的全鹵噻吩固體添加劑，實現了器件效率超過18%的全聚合物太陽能電池，SA-T1良好的普適性為提高APSC的器件性能提供了新手段。該工作也得到武漢大學鐘成副教授在理論計算、西安交通大學魯廣昊教授在原位薄膜吸收等方面的支持和幫助。該工作以“Binary All-polymer Solar Cells with a PerhalogenatedThiophene-Based Solid Additive Surpass 18% Efficiency”為題發表在Angewandte Chemie International Edition上（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202316698），該研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金委的支持。
原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202316698
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（責任編輯：xu）
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