南科大郭旭岗&广大孙会靓等Nat. Commun.：基于一锅聚合的多组分光活性层实现高效稳定的有机太阳能电池

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前言回顾

具有体异质结（BHJ）活性层的有机太阳能电池（OSCs）由于其具有高机械柔性、轻重量和半透明性等多重优点而受到广泛关注。得益于有机光伏材料和器件工程的发展，OSCs的功率转换效率（PCE）已经超过了18%。然而，目前OSCs的实际应用受到其低操作稳定性的限制，由于在各种环境条件（即光、氧和热）下，光活性层形态会引起退化，这是OSCs技术商业化的巨大挑战。

采用聚合物共混物作为光活性层的全聚合物OSCs（all-PSCs）表现出比其它类型OSCs更高的形态稳定性，这是由于all-PSCs共混物中的较强的链间缠结效应。然而，all-PSCs共混物在恶劣的环境下会遭受热力学上不利的混溶性和大规模的相分离。为此，一些研究表明，可以通过使用双功能单组分光伏材料来克服稳定性问题，其中两种或多种D和A组分共价键合在一种材料中，例如分子二元体、双电缆型聚合物和由共轭嵌段共聚物等，这些材料可以形成具有适当长度和尺度，同时热力学稳定的相分离畴。其中，嵌段共聚物被认为是最有前景的候选物之一，其能使相应的OSCs器件PCE快速增加。然而，嵌段共聚物网络中的自由体积将导致链段运动，从而使得OSCs的初始光伏性能和长期运行稳定性之间难以得到平衡。

图1.多组分体系S9和S11的设计、合成及光电性能

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文献简介

有鉴于此，近日，南方科技大学郭旭岗教授联合广州大学孙会靓教授等人提出了一种新策略，即通过简单的一锅聚合来开发多组分光活性层，而无需复杂的合成和后处理（聚合物纯化和器件制造的额外步骤和时间成本明显减少），从而实现高效和稳定的OSCs。研究人员所开发的多组分光活性层（命名为S11）由嵌段共轭聚合物PM6-b-L15主导，其具有D1-A1-A2-A3骨架结构，其合成方法是通过在聚合过程中按顺序添加单体，然后再通过简单的快速柱色谱法除去未反应的单体和少量催化剂。与具有主要传统D1-A1-D2-A2型嵌段聚合物的类似物S9相比，基于S11制备的OSCs器件产生了更高的性能，最佳PCE接近12%，这是通过在聚合物主链中加入更多缺电子单元实现的。同时，基于S11的器件表现出非常优异的光热稳定性（在运行1000 h后，仍能保持其初始PCE的80% ）。

图2.OSCs器件的光伏性能

通过对光电和形态特性的仔细分析，研究人员假设在S11多组分体系中形成了嵌段共聚物网状结构，其主链缠结由嵌段聚合物PM6-b-L15实现。S11基质中的少量PM6和L15聚合物将填充到交错纳米结构的空隙中，限制嵌段共聚物的链运动。同时，PM6-b-L15嵌段形成的网络可以反过来抑制PM6和L15聚合物在多组分体系中的过量聚集。因此，具有良好平衡电荷转移的网络形态为OSCs提供了优异的器件性能和长寿命。

图3.保质期、光热稳定性

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文献总结

综上，这项工作为OSCs中多组分光活性层的开发提供了一锅聚合的合成途径，该方法具有优异的器件效率和操作稳定性。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Nature Communications》上，题为“Efficient and stable organic solar cells enabled by multicomponent photoactive layer based on one-pot polymerization”。

本文关键词：有机太阳能电池，嵌段共聚物，电荷转移，网络形态，稳定性。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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