14.4%！華南理工研製出最高效率全聚合物太陽能電池_風聞

本文得到了目前全聚合物體系太陽能電池最高效率14.4%，在製成300nm厚膜後仍能保持在12.1%的效率。該研究為後續全聚合物有機太陽能電池的研究提供了新受體材料的參考，並提供了光明的前景。

全聚合物有機太陽能電池擁有高效穩定性與易操作性等特點，有應用於大面積製備的可行性，在有機太陽能電池中獨樹一幟，然而載流子的可拆分效率遜於非富勒烯小分子有機太陽能電池致使效率差距仍較大。華南理工大學黃飛課題組通過合成一種新型聚合物受體材料PJ1，擁有1.4 eV窄帶隙，1.39*105 cm-1高消光係數的特點，光譜吸收廣，電荷分離快，能量損耗低。與常用給體材料PBDB-T共混成膜，獲得14.4%光電轉換效率，是目前報道的全聚合物有機太陽能電池最高效率，在製成300nm厚膜後仍能保持在12.1%的效率。相關論文以” 14.4% Efficiency All-Polymer Solar Cell with Broad Absorption and Low Energy Loss Enabled by a Novel Polymer Acceptor”為題於3月15日發表在Nano Energy。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285520302755

研究人員在TTPBT小分子主架上利用維爾斯邁爾-哈克反應在芳環上生成甲酰化產物，並加入IC分子縮合成類Y5型小分子TTPBT-IC；隨後與2,5雙（三甲基錫基）噻吩進行斯蒂勒縮聚反應，通過聚合時間與温度的控制，製得三批不同分子量的PJ1（PJ1-L,PJ1-M,PJ-H）,研究人員通過比較不同分子量的PJ1的材料性能與製成器件後的器件表現探究PJ1最合適的分子量，與TTPBT-IC小分子製備的器件共同比較探究兩者器件的穩定性差異。

圖1：TTPBT-IC合成過程 (上)；PJ1合成過程 (下)

研究發現，PJ1-H（高聚合度）在600-900nm吸收範圍內顯示出強吸收峯，且消光係數到達1.39*105cm-1，較TTPBT-IC的吸收峯整體紅移，吸收範圍更廣，説明在高聚合度的PJ1分子內部有更強的分子間作用力。隨着分子量的增大，PJ1的帶隙也在減小，與PBDB-T帶隙間距縮短，降低載流子傳輸損失。PBDB-T：PJ1-H溶液在加入3 vol%氯萘100℃退火10分鐘後，器件最佳效率測得14.4%，開路電壓0.90 eV,短路電流22.3mA cm-1，填充因子70%，表現性能均優於其餘三種材料。TTPBT-IC為受體的器件在150℃退火條件下，器件效率與PJ1相比急劇降低，研究人員通過差式掃描熱量法得知TTPBT-IC熔點為192℃，而PJ1高達350℃，導致其形貌熱穩定性更良好。

圖2：（a）.差式掃描熱量法測材料熔點；（b）.材料的在氯仿溶液中的UV-Vis吸收圖像（c）.材料在製備成薄膜後的UV-vis吸收圖像（d）.材料的能級

圖3: (a).器件的J-V光電特性曲線;(b)器件的外量子轉換效率;(c).TTPBT-IC器件在150℃下的熱穩定性J-V曲線;(d).PJ1-H在150℃下的熱穩定性J-V曲線

根據2D-Giwaxs圖4(a),(b)的比較，以及不同退火條件下AFM和TEM的圖像比較：TTPBT-IC在成膜過程中表現出高度有序的布拉格衍射結晶化較PJ1更為明顯，整體結晶性更強，退火過程中，形貌變化使得相面顯著減小導致效率降低。相反從圖4(g)中可以看出(010)面有強π-π堆疊表明PJ1-H的堆疊方向呈現”face-on”面，更利於電荷的垂直方向傳輸，電流明顯提升。

圖4: (a-f)薄膜的2D-Giwaxs圖像;(g)1-D切線剖面圖，虛線同相方向，實線異相方向。(h-o)PBDB-T:TTPBT-IC與PBDB-T:PJ1-H的不同退火條件下的AFM與TEM圖像。

總的來説，本文研究者通過合成具有窄帶隙，高消光係數的新型聚合物材料PJ1，製備全聚合物PBDB-T：PJ1有機太陽能電池，探究不同分子量以及薄膜厚度對新體系的影響，得到了目前全聚合物體系太陽能電池最高效率14.4%，該研究為後續全聚合物有機太陽能電池的研究提供了新受體材料的參考，並提供了光明的前景。（文：kirin）

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