蘇州大學/上海交通大學Adv. Mater.：高性能、厚活性層和大面積轉換效率超過11%的砷化鎵非富勒烯聚合物太陽能電池

【引言】

近年來，非富勒烯聚合物太陽能電池（NF-PSC）已引起廣泛研究興趣并取得了重要發展，轉換效率可達10-13%。與富勒烯受體相比，n型有機半導體（n-OS）受體具有顯著優異性，比如光吸收高度可調，前線能級易調，生產成本低和材料選擇范圍廣。在n-OS受體中，受體-供體-受體結構的窄帶隙n-OS材料，如ITIC和IDIC，已成為高性能聚合物電池的主要受體。將n-OS受體與中等帶隙的給體聚合物混合，復合薄膜可得350-800nm寬的吸收光譜和較高的短路電流及效率。

NF-PSC的制備過程非常繁瑣，需要熱處理、溶劑蒸發處理或者特定量的溶劑助劑。若無其他處理，NF-PSC的轉換效率只能達到9-10%之間。電池的優化和大面積可彎曲制備也很復雜。因此，尋找簡單的材料體系和簡單穩定的制備方法正是當務之急。

供體聚合物的好壞很大程度上決定了n-OS受體薄膜的質量，相應地影響電池的性能。因此結構可調的供體聚合物是未來改善NF-PSC光電性能的關鍵。此外，活性層的厚度也會影響電池性能，尤其是柔性基底的聚合物電池。

【成果簡介】

最近，蘇州大學張茂杰教授、上海交通大學劉烽教授等人在Advanced Materials 上發表了題為“High-Performance As-Cast Nonfullerene Polymer Solar Cells with Thicker Active Layer and Large Area Exceeding 11% Power Conversion Efficiency ”的文章。研究團隊制備了高度結晶、π-π堆積排列的PM6，與IDIC的能級以及互補吸收光譜相互匹配，有助于傳輸載流子，抑制復合。因此制備的基于PM6為給體、n-OS IDIC為受體，無需其他處理的非富勒烯聚合物太陽能電池（NF-PSCs），效率達到11.9%。器件效率受活性層厚度影響較小，面積為0.2-0.81cm²的電池效率超過11%，PM6:IDIC基的大面積（1.25cm²）柔性聚合物太陽能電池效率可達6.54%。其中，11.9%為目前文獻中砷化鎵聚合物太陽能電池效率的記錄值。

【圖文導讀】

圖1.PM6與IDIC的分子式、薄膜紫外吸收光譜圖和分子能級能級圖。

a）分子式；

b）薄膜的紫外可見吸收光譜；

c）PM6 和 IDIC的分子能級原理圖；

圖2. PM6:IDIC基不同聚合物電池的光電性能。

a）不同活性層厚度的電池的J-V曲線；

b）不同活性層厚度的電池的外量子效率曲線；

c）不同活性層厚度的電池的光電轉換效率；

d）活性層厚度為150nm時，不同有效面積的PM6:IDIC基聚合物電池的J-V曲線；

e）有無其他處理的PM6:IDIC基聚合物電池的J_ph與V_ef特征曲線；

f）有無其他處理的PM6:IDIC基聚合物電池的J_ph與光強特征曲線。

圖3. 薄膜的結構特性

a）復合薄膜的掠入射X射線衍射(GIXD)2D剖面圖；

b）復合薄膜平面外（實線）和平面內（虛線）GIXD的割線圖；

c）復合薄膜的諧振軟x射線散射（RSoXS）散射剖面圖。

圖4. 與其他基于聚合物給體和n-OS受體電池的光學帶隙(E_g^opt)/eV_oc關系，V_oc損失與外量子效率（EQE）和光電轉換效率（PCE）的關系。

a）效率超過8%的NF-PSCs的eV_oc 與E_g^opt關系曲線；

b）效率超過8%的NF-PSCs的E_loss與EQE_max的關系曲線；

c）效率超過8%的NF-PSCs的E_loss與PCE的關系曲線。

【小結】

該研究制備了一種含BDT-2F單元的聚合物供體PM6和n-OS受體IDIC，并用于聚合物太陽能電池中。聚合物PM6不僅與IDIC的能級配合，增強吸收，其溶液還具有很強的π-π相互作用和分子間聚集效應，薄膜具有高結晶度，低d間隔和低π-π堆積距離。這些特性都有利于制備高性能的PM6:IDIC基聚合物太陽電池。

文獻鏈接：High-Performance As-Cast Nonfullerene Polymer Solar Cells with Thicker Active Layer and Large Area Exceeding 11% Power Conversion Efficiency（Adv. Mater.,2017,DIO: 10.1002/adma.201704546）

本文由材料人編輯部沈黎麗編譯，黃超審核，點我加入材料人編輯部。

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