Adv. Funct. Mater. 华南理工大学研发新聚合物添加剂提高有机太阳电池效率

正如我们所知道的，聚合物太阳电池由于其质量轻薄、柔性、大面积等优点，表现出了良好的发展前景。国内外的科学家展开了广泛的研究，到目前为止效率已经突破11%。为了更进一步提高电池器件效率，拓宽吸收，优化器件结构至关重要。

与窄带隙聚合物相比，宽带隙给体聚合物具有更深的HOMO能级，我们可以获得较高的开路电压V_oc以及更稳定的材料。除此之外，这类材料可以用在三元或者叠层器件结构中，与窄带隙聚合物形成互补吸收。

然而，目前文献报道的宽带隙聚合物（如PBTA-BO）一般具有大约1.9eV的光学带隙，最终器件效率也仅有6-7%左右。由于该聚合物在与PC₇₁BM制备体异质结电池时，获得较差的活性层形貌，所以这限制了器件效率的进一步提高。也有课题组将选用高沸点的DIO作为共混溶剂，在一定程度上可以提高器件效率，但是由于高沸点溶剂的残留，会影响器件长期的稳定性。

最近，华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室的黄飞教授课题组在Adv. Funct. Mater.上报道了一种宽带隙聚合物添加剂（如图1），在烷基侧链上连入极性的五氟苯单元，有效提高了聚合物的表面能（如图4），与PC₇₁BM更好的混溶（图5），表现出了纤维状互传网络结构。

图1 PBTA-FPh、PBTA-BO以及PC₇₁BM的分子结构，以及器件结构示意图

图2 在AM 1.5G at 100 mW cm⁻²的太阳光下，器件结构为ITO/PEDOT:PSS/photoactive layer/PFN-Br/Al的电流-电压曲线（a）以及电池的外部量子效率（EQE）曲线

表1 器件光伏数据

图3 （a）不同活性层的太阳电池的短路电流对光照强度的依赖性；（b）不同活性层的瞬态光电流与时间的关系曲线

图4 接触角的测量a,d) PBTA-BO, b,e) PBTA-FPh, and c,f) PBTA-BO: PBTA-FPh (1:0.02%)；其中a-c）是用去离子水，d-f）用DIO

图5 a,c) PBTABO:PC₇₁BM和b,d) PBTA-BO:PC₇₁BM:PBTA-FPh薄膜的AFM高度图（a, b）和TEM图（c, d）

图6 （a）分别基于PBTA-BO:PC₇₁BM, PBTA-BO:PC₇₁BM:PBTA-FPh以及PBTA-FPh:PC₇₁BM混合薄膜的SCLC空穴迁移率；（b）分别基于PBTA-BO和PBTA-FPh纯膜的SCLC空穴迁移率

作者成功地设计合成了含有极性基团侧基的聚合物PBTA-FPh，用作添加剂，获得了均一的活性层形貌，并与PC₇₁BM形成良好的混溶。作者发现，向PBTA-BO：PC₇₁BM活性层中加入适量PBTA-FPh作添加剂，有效提高了电池的效率PCE（表一、图2）。作者认为这主要是因为提高了电荷载流子的迁移，减小了复合（图6）。

对于有机太阳电池中添加剂的应用已经非常非常多，但是其具体的作用机理（即提高光电转换效率的作用机制）仍有待深挖！而且能否找到一类具有普适性的添加剂来应用到基于不同给体材料的有机太阳电池中，仍然需要广大科研工作者的努力！

文献链接：Improved Morphology and Efficiency of Polymer Solar Cells by Processing Donor–Acceptor Copolymer Additives（Advanced Functional Materials，2016，DOI: 10.1002/adfm.201601625）

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