北京交通大学张福俊团队AFM：提高受体层激子利用率使LbL all-PSCs效率提升到17.45%

 1

前言回顾

目前，高性能聚合物太阳能电池（PSCs）的有源层主要采用体异质结（BHJ）结构，该结构中的双连续互穿网络可以为激子解离提供充足的给受体界面。与BHJ-PSCs相比，准平面异质结聚合物太阳能电池（LbL-PSCs）的有源层中易形成更加明显的垂直结构相分离，给体层底部和受体层顶部的高纯度给/受体相有利于实现高效的电荷收集。一般而言，激子扩散距离在10-30 nm左右，LbL-PSCs中给体层和受体层较厚可能会导致处于界面附近的光生激子无法扩散到给受体界面，影响激子解离效率。从目前文献的报道上分析，LbL结构的PSCs又展现出与BHJ结构器件相媲美的，说明还有很多物理过程有待深入研究。众所周知，能量不能从窄带隙受体转移到宽带隙给体，受体层中电极附近的激子无法扩散到给受体界面进行解离。因此，通过采用在受体层中掺入少量给体的策略提高LbL-PSCs受体层中电极附近的激子利用率尤为重要。

图1.分子LbL all-PSCs的 (a) J-V曲线，（b）EQE光谱。(c) 纯PY-IT膜和不同PM6含量LbL膜的PL光谱。(d) LbL all-PSCs的Jph-Veff曲线。

2

文献简介

基于上述问题，北京交通大学张福俊教授课题组以聚合物PM6为给体，聚合物PY-IT为受体，制备了一系列准平面异质结全聚合物太阳能电池（LbL all-PSCs）。研究人员通过采用在受体层中掺入少量给体的策略，提高受体层中电极附近的激子解离效率。通过不同表征手段研究LbL all-PSCs，如图1所示。PY-IT层中掺入10 wt% PM6时，短路电流密度（JSC）提升到24.74 mA cm-2、填充因子（FF）提升到74.25%，LbL all-PSCs的最佳PCE可以达到17.45%。该结果是目前基于PM6/PY-IT体系LbL all-PSCs的最高值，这表明在受体层中掺入少量给体是提高LbL all-PSCs性能的有效策略。在PY-IT层中掺入10 wt% PM6后LbL all-PSCs的EQE值明显提高，这归因于LbL all-PSCs中显著提高的激子解离和电荷收集效率。通过测量纯PY-IT膜、不同PM6含量的PM6/PY-IT:PM6膜的PL光谱以及不同PM6含量的LbL all-PSCs的Jph-Veff曲线得出，随着PY-IT层中PM6含量的增加，激子解离效率逐渐升高，这归因于掺入的PM6促进了PY-IT层中电极附近的激子解离。

图2.（a）纯PM6膜；（b）PY-IT膜；（c）PM6/PY-IT膜和（d）PM6/PY-IT:PM6膜的在不同延迟时间的瞬态吸收光谱曲线。

此外，研究人员通过掠入射广角X射线散射(GIWAXS)对不同薄膜中的分子排布特性进行了表征，如图3所示。结果表明，当PY-IT层中PM6含量为10 wt%时薄膜中使分子取向更有序的和分子排布更紧密，进一步支撑了掺入的PM6优化了有源层中电荷传输的结论。

图3.不同PM6含量的PM6/PY-IT:PM6膜的(a) GIWAXS图，(b) 相应的IP和OOP方向剖面图。

3

文献总结

综上，这项工作通过在受体层中掺入少量给体的策略，来提高受体层中电极附近的激子利用率，为开发高性能准平面异质结全聚合物太阳能电池提供了新机遇。相关研究成果现已发表在Advanced Functional Materials上，题为“Over 17.4% efficiency of layer-by-layer all-polymer solar cells by improving exciton utilization in acceptor layer”。论文第一作者：徐文婧博士生；通讯作者：香港理工大学张苗副研究员、桂林电子科技大学张坚教授、泰山学院王健教授、北京交通大学张福俊教授。

本文关键词：准平面异质结，全聚合物太阳能电池，激子解离效率，电荷传输。

转自：“有机钙钛矿光电前沿”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！