南昌大学谌烈团队AM：绿色溶剂处理的大面积二元全聚合物太阳能电池具有创纪录性能和高效拉伸系数

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前言回顾

由聚合物给体和聚合物受体构建的全聚合物太阳能电池（all-PSCs）由于其优异的灵活性和机械稳定性，在便携式和可穿戴电子器件中具有非常大的应用潜力。虽然目前研究人员为改善all-PSCs的性能做出了相当大的努力，但由于缺乏具有近红外（NIR）吸收的优良聚合物受体以及难以控制活性层的形态，因此相关器件的光电转换效率（PCE）仍落后于基于小分子受体（SMAs）的太阳能电池。随着Y系列SMAs的出现，基于此的聚合小分子受体（PSMAs）迎来了快速发展，all-PSCs的PCE超过了17%，与基于SMAs的器件相比显示出微弱的差距。

尽管all-PSCs都取得了巨大的进步，但如今，大多数高性能的all-PSCs是通过旋涂（SC）方法制备的，其面积较小约为0.04 cm2。然而，这种处理方法属于一种快速成膜工艺，与大面积器件不兼容，因为随着有效面积的增加，油墨难以完全覆盖基底，并且总是产生不均匀的薄膜。凭借高效材料利用和原位结晶的优点，刮刀涂层（BC）工艺已被证明是一种易于打印的大面积薄膜制造方法。在BC工艺中，成膜过程取决于刀片对溶液的拖曳，从而促进大颗粒的形成，但成膜过程比SC工艺慢得多。目前，最先进的all-PSCs通常基于高度结晶的PSMAs，如Y系列PSMAs，它们可能采用SC工艺，但对BC工艺的耐受性较差。在BC法的缓慢成膜过程中，高度结晶的PSMAs倾向于形成具有严重聚集的岛状膜形态。PSMAs的本征快速聚集与BC方法的技术缓慢成膜的两种缘由最终形成的低质量膜成为小面积SC器件到大面积BC器件中PCE损耗的关键原因。因此，开发能够承受不同工艺的高性能活性层材料，顺利地从SC小面积器件转移到BC大面积器件是一项巨大的挑战。

图1.分子结构与器件展示

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文献简介

通过无规聚合将柔性非共轭单元作为第三单元并入PSMAs中，不仅可以获得高机械灵活性，而且还能提高器件效率。此外，非共轭单元的整合和随机骨架的中断序列有效地防止了活性层过度聚集，促进了缓慢的BC过程。受此启发，近日，南昌大学谌烈教授研究团队通过无规聚合设计并合成了两种不同构型的新型三元共聚物受体PYTX-A和PYTX-B（X＝Cl或H），其中通过部分取代噻吩桥和共轭Y核将非共轭单元分别引入高效聚合物受体PY-IT中。从聚合物构型的角度，研究人员系统地探究了非共轭单元的不同取代对两种三元共聚物受体的分子空间几何形状、薄膜排列、光电性能、器件性能和机械性能的影响。此外，还对小面积SC器件、大面积BC器件、卤素和非卤素处理器件以及刚性和柔性器件都给予了特别关注。更重要的是，研究人员首次提出了一个新的效率伸缩系数（ESF）参数，从而全面客观地评估all-PSCs的效率和机械性能。

图2.大面积刀片涂层器件

在这些新型聚合物受体中，经氯仿处理的基于PYTCl-A小面积SC器件获得了最佳PCE，为16.16%，经甲苯处理的小面积SC器件为15.89%，而基于PYTX-B的器件则获得了22.74%的最佳裂纹起始应变（COS）。由于PM6:PYTCl-A的长时间成膜工艺与缓慢BC工艺的相互配合，基于PM6:PYTCl-A的甲苯处理大面积（1.21 cm2）的BC器件获得了14.70%的创记录PCE，相对于小面积器件的PCE损失较小。有趣的是，基于PM6:PYTCl-A和PM6:PYTCl-B的器件均显示出比原始PM6:PY-IT（1.50%）高得多的ESF（2.78%和2.54%），这表明PCE和COS的良好平衡。通过在聚合物给体PM6中进一步引入非共轭单元，基于PM6-A:PYTCl-A的器件表现出3.12%的最佳ESF值，是目前有机太阳能电池的最高性能之一。此外，相应的柔性器件还获得了13.81%的优异PCE，具有良好的弯曲公差。

图3.机械性能与大面积柔性器件

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文献总结

综上，该工作研究不仅为柔性可穿戴太阳能电池提供了一系列具有突破性性能的可靠新型导电材料，而且还阐明了评估有机太阳能电池综合性能的概念。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Advanced Materials》上，题为“Regulation of Polymer Configurations Enables Green Solvent-processed Large-area Binary All-polymer Solar Cells with Breakthrough Performance and High Efficiency Stretchability Factor”。

本文关键词：全聚合物有机太阳能电池，聚合物受体，大面积柔性器件，分子设计。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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