全聚合物太阳电池（all-PSCs）相比于其他体系的有机太阳电池具有更好的稳定性和机械柔性，更适合大面积制备。低成本，可大量合成的聚（3-己基噻吩）（P3HT）是目前实现有机太阳电池工业化生产最有前景的聚合物给体材料。然而，相比于一般的D-A共聚物给体，P3HT基all-PSCs在筛选匹配的聚合物受体和形貌调控方面具有更大的挑战，器件性能长期处于较低水平。

  近日，华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室段春晖课题组报道了通过搭配与P3HT热力学相容的聚合物受体制备高效P3HT基all-PSCs。研究发现，在三种高效聚合物受体（N2200、PYT、DCNBT-IDT）中，N2200和PYT与P3HT热力学不相溶，与P3HT共混时，会导致过度的相分离。而DCNBT-IDT与P3HT表现出良好的热力学相容性，二者在共混薄膜中形成了混合良好的纤维结构。最终基于P3HT:DCNBT-IDT共混体系器件的功率转换效率（PCE）达到了7.35%，创下了P3HT基all-PSCs的新纪录，远高于以往的文献报道。这些结果为进一步提高P3HT基all-PSCs的器件性能提供了思路，促进了高效、低成本的太阳电池产业化的实现。

图1. P3HT和聚合物受体的化学结构式。

  基于P3HT:DCNBT-IDT共混体系的器件相较于P3HT:N2200和P3HT:PYT体系表现出更高的短路电流密度（J_sc）和EQE响应，PCE得到显著提升。电荷的传输和复合研究表明，P3HT:DCNBT-IDT共混体系具有最平衡的载流子迁移率以及最低的电荷复合。P3HT:PYT共混体系则存在低电子迁移率导致的不平衡的电荷传输以及严重的陷阱复合，限制了器件性能。

  共混活性层形貌表征显示了三种共混体系中差异明显的聚集特征。具有最大RMS粗糙度的P3HT:PYT共混薄膜中存在大尺寸的聚集体。另一方面，P3HT:DCNBT-IDT共混薄膜呈现最均匀的形貌特征，表现出最优的混合性质和相尺寸。在P3HT:N2200和P3HT:PYT共混薄膜TEM图中都能观察到大尺寸的相分离。过度的相分离和过大的相尺寸会导致激子在解离前就发生严重的孪生复合。与之相反，P3HT和DCNBT-IDT在共混薄膜中良好的混合结构创造了更多的D–A界面，有利于激子解离。同时，在P3HT:DCNBT-IDT共混薄膜中可以观察到具有清晰明暗对比的纤维结构，这种形态保证了载流子的高效传输，抑制了电荷复合。

图3. P3HT全聚合物共混薄膜的（a）AFM高度图、（b）AFM相图和（c）TEM衬度图。

  相互作用参数（χ_aa）的计算从热力学角度为P3HT:聚合物受体共混薄膜之间的形貌差异给予了合理的解释。原理上，大的χ_aa表示聚合物之间的热力学相容性差，混合的程度低。显然，P3HT与N2200和PYT之间的热力学相容性远低于DCNBT-IDT。

图4. P3HT全聚合物共混体系的（a）DSC曲线和（b）熔点压制法拟合曲线计算相互作用参数。

  研究以“High-efficiency P3HT-based all-polymer solar cells with a thermodynamically miscible polymer acceptor”为题发表在《Solar RRL》杂志（DOI: 10.1002/solr.202200073）。华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室作为第一完成单位，本科生李悠乐，研究生吴宝奇、张月为文章共同第一作者，华南理工大学段春晖教授为通讯作者。感谢国家重点研发项目（2017YFA0206600，2019YFA0705900）、国家自然科学基金（21875072，U20A6002）、广东省引进创新创业团队计划（2019ZT08L075）、大连理工大学精细化工国家重点实验室开放基金（KF1901）、中国博士后科学基金会（2020TQ0102）的资助。

  原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/solr.202200073