Advanced Functional Materials:逐层优化策略制备伪双层结构的高性能全聚合物太阳能电池

聚合物有机太阳能电池与传统的无机半导体太阳能电池相比具有质轻、全/半透明、成本低,可溶液加工等优点而被广泛关注。其中全聚合物太阳能电池(All-PSCs)是由聚合物电子给体和聚合物电子受体材料组成,其优异的稳定性和机械柔韧性使其具有被应用于可穿戴及柔性可拉伸器件的潜力。因此,发展高效的All-PSCs为进一步推动有机太阳能电池走向实际应用具有深远的意义。然而,All-PSCs的能量转化效率(PCE)一直落后于非富勒烯小分子有机太阳能电池。

目前,All-PSCs主要致力于聚合物给体和聚合物受体材料的分子设计,形貌控制等因素以提升PCE。体异质结结构(BHJ)是制备有机薄膜最为广泛的方式之一,其通常有利于激子分离和载流子传输,并能够有效提升光伏体系的短路电流和填充因子。尽管如此,BHJ结构也存在诸多缺点。基于BHJ结构的活性层形貌通常比较难以调控,最优形貌重复相对困难,给受体比例需精确控制,人为影响因素较大。此外,相比于器件结构优化薄膜形貌,添加剂或溶剂是一种非常简单的方法来调控给受体相分离以抑制其过度的分子聚集。

基于以上考虑,武汉大学高等研究院闵杰研究员课题组(L-AMSE)分别选择PBDB-T和PYT作为聚合物给体和受体材料(Joule, 2020, 4, 1070-1086;Sci. China Chem. 2020, 63, 1449-1460),采用逐层(LbL)沉积技术,通过协同调控给受体上下层的添加剂用量成功制备了以PBDB-T/PYT伪双层结构为活性层的All-PSCs,并获得15.2%的光电转换效率(BHJ器件PCE:14.06%)。与BHJ器件相比,通过系统的对物理动力学和形态学特征的研究,结果表明LbL薄膜可以有效地改善光学吸收和电学性能,有效地促进激子解离,电荷产生和提取,同时抑制其缺陷复合并促进LbL薄膜中的空穴转移,从而获得更高的性能。作者进一步选择其他三个不同添加剂的光敏活性层体系,通过给体或受体溶液中添加剂用量的协同调节也获得了相对较高的效率。此外,作者还通过刮涂技术成功实现了高性能All-PSCs的制备。这些结果充分证明了添加剂协同调控策略对于大面积加工LbL有机太阳能电池有着重要的指导意义。

相关工作以“High‐Performance All‐Polymer Solar Cells with a Pseudo‐Bilayer Configuration Enabled by a Stepwise Optimization Strategy”发表在Advanced Functional Materials(DOI:10.1002/adfm.202010411上。博士生吴强和王伟为共同第一作者,闵杰研究员为独立通讯作者。同时感谢浙江大学杨旸教授和陈增博士对飞秒瞬态吸收光谱测试提供的帮助;宁波大学郭杰博士对光学模拟表征提供的帮助。上述研究工作得到了国家自然科学基金项目(21702154,51773157)以及北京分子科学国家研究中心(BNLMS201905)的支持。