南开大学陈永胜教授团队 Angew：全卤噻吩固体添加剂实现效率超过18%的全聚合物太阳能电池
2024-01-07 来源：高分子科技
文章主要亮点
基于PM6:PY-IT的全聚合物太阳能电池器件效率达到18.3%，位于高效全聚太阳能电池之列；
发展了基于噻吩的结构简单的固体添加剂，实现对全聚合物活性层形貌的有效调控；
3,4-二溴-2,5-二碘噻吩作为固体添加剂在全聚体系中具有普适性。
全聚合物有机太阳能电池（APSCs）在超薄、柔性可拉伸电子器件中具有良好的应用前景。近年来，聚小分子受体材料（PSMAs）的发展克服了传统D-A型聚合物受体的一些不足，并且兼具小分子受体摩尔吸光系数高、结构性能易调控的特点；随着一系列新型PSMA的报道，APSCs的能量转换效率提高到超过18%，与基于小分子受体的有机太阳电池的器件性能差距正在缩小。为了进一步提高有机光伏器件效率，通过活性层形貌调控优化器件中的光电转换过程是非常必须的；在全聚合物体系中，由于给体和受体材料的结构相似性以及聚合物较大的分子量和复杂的多级结构，基于全聚合物的活性层形貌调控更具有挑战性。在已报到的高效APSC中，1-氯萘（1-CN）作为液体添加剂调控全聚合物活性层形貌及器件性能是最普遍的策略；但1-CN高沸点的特性导致在成膜过程中难以彻底的除出，对器件的稳定性和大面积制备产生不利影响。易挥发的固体添加剂（SA）作为新型的形貌调控手段在小分子受体材料体系中应用广泛，器件性能和稳定性得到提升；然而该策略在全聚合物材料体系中报道较少，结构简单且具有普适性的固体添加剂更是鲜有报道。
图1：a) 聚合物给体PM6和聚合物受体PY-IT的结构式；b) 固体添加剂的化学结构；c)固体胶添加剂的表面静电式示意图；d) PM6和PY-IT的（010）相干长度示意图。
针对该关键问题，南开大学化学学院陈永胜教授、材料科学与工程学院阚斌研究员和中国科学院重庆绿色智能技术研究院段泰男副研究员发展了一系列基于全卤素取代噻吩的固体添加剂（图1），有效调控了全聚合物体系中聚合物给体和聚合物受体的分子堆积和活性层形貌，实现了效率超过18%的APSCs。在该系列SA的设计中，作者以有机光电材料中最简单的噻吩单元作为基础，通过引入具有较大原子半径的Br和I原子，获得了与聚合物活性层材料具有强相互作用的全卤噻吩固体添加剂，分别是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）。基于聚合物给体PM6和聚合物受体PY-IT体系，通过理论计算和GIWAXS分析，该系列添加剂可以同时增强PM6和PY-IT的分子堆积和结晶性，提高其电荷迁移率。
图2：a) 共混薄膜的AFM形貌图；b) 共混薄膜的GIWAXS；c) 相分离尺寸直径示意图；d) （010）和（100）的相干长度（CL）示意图。
与基于PM6:PY-IT的未经处理的薄膜相比，经过该系列固体添加剂处理的活性层形貌形成了更为合理的相分离尺寸，共混薄膜中PM6和PY-IT的分子堆积也得到显著的增强（图2）；因此，全聚合物器件电荷传输更为高效和平衡、电荷复合也得到降低，器件的短路电流密度和填充因子显著提高，效率从14%大幅提高到17.4-18.3%（图3），说明该系列添加剂在制备高性能全聚有机太阳电池中具有优势。值得注意的是，经过SA-T1处理的器件效率达到18.3%，是目前二元全聚体系的高效器件之一；其在厚膜器件（~250 nm）、大面积器件（~1.32 cm2）和柔性器件也实现了超过15%的效率。随后，作者通过原位热退火紫外-可见吸收光谱分析发现该系列固体添加剂的引入可以重构全聚合物薄膜中的成膜过程，利于形成具有合适相分离的纤维薄膜形貌，解释了对应器件中短路电流密度和填充因子提高的成因。最后，作者也将SA-T1引入到PM6:PY-DT，PM6:PY-V-g和PM6:PYF-T-o等三种全聚体系中，证实了该添加剂在调控全聚体系活性层形貌、实现高效APSCs的普适性。
图3：a) 器件的J-V曲线；b)器件的效率分布示意图；c) 250nm厚膜器件的J-V曲线；d) 器件热稳定性变化曲线；e) 能量损失分析；f)空穴和电子迁移率。
总之，本文针对APSC中活性层形貌调控困难、调控手段较为缺少的关键问题，发展了系列结构简单的全卤噻吩固体添加剂，实现了器件效率超过18%的全聚合物太阳能电池，SA-T1良好的普适性为提高APSC的器件性能提供了新手段。该工作也得到武汉大学钟成副教授在理论计算、西安交通大学鲁广昊教授在原位薄膜吸收等方面的支持和帮助。该工作以“Binary All-polymer Solar Cells with a PerhalogenatedThiophene-Based Solid Additive Surpass 18% Efficiency”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202316698），该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委的支持。
原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202316698
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（责任编辑：xu）
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