苏州大学/上海交通大学Adv. Mater.：高性能、厚活性层和大面积转换效率超过11%的砷化镓非富勒烯聚合物太阳能电池

【引言】

近年来，非富勒烯聚合物太阳能电池（NF-PSC）已引起广泛研究兴趣并取得了重要发展，转换效率可达10-13%。与富勒烯受体相比，n型有机半导体（n-OS）受体具有显著优异性，比如光吸收高度可调，前线能级易调，生产成本低和材料选择范围广。在n-OS受体中，受体-供体-受体结构的窄带隙n-OS材料，如ITIC和IDIC，已成为高性能聚合物电池的主要受体。将n-OS受体与中等带隙的给体聚合物混合，复合薄膜可得350-800nm宽的吸收光谱和较高的短路电流及效率。

NF-PSC的制备过程非常繁琐，需要热处理、溶剂蒸发处理或者特定量的溶剂助剂。若无其他处理，NF-PSC的转换效率只能达到9-10%之间。电池的优化和大面积可弯曲制备也很复杂。因此，寻找简单的材料体系和简单稳定的制备方法正是当务之急。

供体聚合物的好坏很大程度上决定了n-OS受体薄膜的质量，相应地影响电池的性能。因此结构可调的供体聚合物是未来改善NF-PSC光电性能的关键。此外，活性层的厚度也会影响电池性能，尤其是柔性基底的聚合物电池。

【成果简介】

最近，苏州大学张茂杰教授、上海交通大学刘烽教授等人在Advanced Materials 上发表了题为“High-Performance As-Cast Nonfullerene Polymer Solar Cells with Thicker Active Layer and Large Area Exceeding 11% Power Conversion Efficiency ”的文章。研究团队制备了高度结晶、π-π堆积排列的PM6，与IDIC的能级以及互补吸收光谱相互匹配，有助于传输载流子，抑制复合。因此制备的基于PM6为给体、n-OS IDIC为受体，无需其他处理的非富勒烯聚合物太阳能电池（NF-PSCs），效率达到11.9%。器件效率受活性层厚度影响较小，面积为0.2-0.81cm²的电池效率超过11%，PM6:IDIC基的大面积（1.25cm²）柔性聚合物太阳能电池效率可达6.54%。其中，11.9%为目前文献中砷化镓聚合物太阳能电池效率的记录值。

【图文导读】

图1.PM6与IDIC的分子式、薄膜紫外吸收光谱图和分子能级能级图。

a）分子式；

b）薄膜的紫外可见吸收光谱；

c）PM6 和 IDIC的分子能级原理图；

图2. PM6:IDIC基不同聚合物电池的光电性能。

a）不同活性层厚度的电池的J-V曲线；

b）不同活性层厚度的电池的外量子效率曲线；

c）不同活性层厚度的电池的光电转换效率；

d）活性层厚度为150nm时，不同有效面积的PM6:IDIC基聚合物电池的J-V曲线；

e）有无其他处理的PM6:IDIC基聚合物电池的J_ph与V_ef特征曲线；

f）有无其他处理的PM6:IDIC基聚合物电池的J_ph与光强特征曲线。

图3. 薄膜的结构特性

a）复合薄膜的掠入射X射线衍射(GIXD)2D剖面图；

b）复合薄膜平面外（实线）和平面内（虚线）GIXD的割线图；

c）复合薄膜的谐振软x射线散射（RSoXS）散射剖面图。

图4. 与其他基于聚合物给体和n-OS受体电池的光学带隙(E_g^opt)/eV_oc关系，V_oc损失与外量子效率（EQE）和光电转换效率（PCE）的关系。

a）效率超过8%的NF-PSCs的eV_oc 与E_g^opt关系曲线；

b）效率超过8%的NF-PSCs的E_loss与EQE_max的关系曲线；

c）效率超过8%的NF-PSCs的E_loss与PCE的关系曲线。

【小结】

该研究制备了一种含BDT-2F单元的聚合物供体PM6和n-OS受体IDIC，并用于聚合物太阳能电池中。聚合物PM6不仅与IDIC的能级配合，增强吸收，其溶液还具有很强的π-π相互作用和分子间聚集效应，薄膜具有高结晶度，低d间隔和低π-π堆积距离。这些特性都有利于制备高性能的PM6:IDIC基聚合物太阳电池。

文献链接：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）

本文由材料人编辑部沈黎丽编译，黄超审核，点我加入材料人编辑部。

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