川大彭强&徐小鹏团队AM：逐层处理的有机太阳能电池具有19.10%的效率和80.5%的填充因子

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前言回顾

得益于非富勒烯受体（NFAs）和器件工程的发展，有机太阳能电池（OSCs）在过去几年中取得了重大成果，最先进的OSCs已获得了超过19%的功率转换效率（PCE），显示了其在商业应用中的巨大前景。高性能OSCs在光活性层中主要采用了体异质结（BHJ）结构，其通过在膜沉积期间电子供体（D）和受体（A）材料的预混合溶液的自发相分离形成，通过相分离形成的双连续互穿网络有利于激子扩散和解离、电荷转移和收集。目前已经开发了许多有效的形态优化策略，如热退火（TA）、溶剂蒸汽退火（SVA）、溶剂老化（或延迟处理）和选择添加剂等。尽管已经取得了重大进展，但如何精确控制和阐明BHJ形态仍然具有挑战性。

逐层处理给受体材料可以独立地优化每个层的微观结构，这能够克服给体和受体材料之间的热力学互溶性引起的不相容性，拓宽了微调分子填充的处理窗口。通过选择合适的加工条件来控制D层和A层之间的相互扩散，从而形成具有足够D/A界面的有利垂直成分分布，并且每个层都可以保持其高结晶度。在这样的理想形态中，分离的空穴和电子分别迁移到纯D和A相中，并更平滑地传输到各自的电极，这有利于抑制双分子电荷复合并提高电荷收集效率。基于这些优势，尤其是更可调和更灵活的处理条件，使LbL-OSCs在不久的将来具有大规模生产大面积器件的潜力。

图1.分子合成步骤与器件制备过程

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文献简介

基于上述的因素，近日，四川大学彭强教授、徐小鹏研究员团队报道了通过向聚合物给体溶液中引入适当的共轭聚合物添加剂来改善LbL-OSCs的光伏性能，从而实现合理的活性层形态优化。研究人员设计并合成了一系列基于BPD结构的聚合物，即P-H、P-S、P-F和P-Cl，其均具有改性BDT结构的侧链。BPD结构的强偶极矩有利于诱导与主体聚合物给体的分子间相互作用，而侧链工程（硫化、氟化和氯化）将能够进一步调节相互作用强度，从而优化原纤维形态。

图2.器件光伏性能比较

研究人员在PM6/BTP-eC9体系中研究了这些聚合物作为添加剂的形态优化能力。在BHJ共混物中，这些聚合物添加剂对形态优化的影响有限，但诱导了更多的给体和受体材料的混合相。相比之下，将这些聚合物添加到原始PM6膜中可以促进聚合物链聚集以形成更充分的聚合物原纤维基质，从而促进BTP-eC9渗透到聚合物基质中并形成具有良好垂直分离的交织D/A双连续网络。事实上，通过精细的侧链工程，改变给体PM6和聚合物添加剂之间的相互作用强度，进一步优化了这种形态，因此能够逐步改进电荷分离和收集。最终结果显示，在PM6层中添加少量的P-Cl作为添加剂，所得LbL器件中优化的垂直相分离形态获得了高达19.10%的PCE和80.5%的高FF，创造了LbL-OSCs的性能新记录。这些结果表明，合理设计聚合物添加剂是优化LbL-OSCs形貌，从而获得最佳器件性能的一种有效方法。

图3.垂直相分离演示

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文献总结

综上，该工作开发出高效聚合物给体添加剂，从形貌学研究方面探究了其如何提高最终的器件性能。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Advanced Materials》上，题为“19.10% Efficiency and 80.5% Fill Factor Layer-by-Layer Organic Solar Cells Realized by 4-Bis(2-thienyl)pyrrole-2,5-dione Based Polymer Additives for Inducing Vertical Segregation Morphology”。

本文关键词：有机太阳能电池，聚合物给体，逐层沉积，形貌优化，添加剂。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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