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  聚合物太陽(yáng)能電池因其成本低、質(zhì)輕和柔性加工等特性使其具有很好的工業(yè)前景。盡管目前聚合物太陽(yáng)能電池的單節(jié)光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)快接近于18%，但是其聚合物材料吸收相對(duì)較窄限制了聚合物太陽(yáng)能電池效率的進(jìn)一步提高。為了拓寬吸收，三元聚合物太陽(yáng)能電池的策略被廣泛應(yīng)用。事實(shí)證明引入第三組分能有效拓寬及其增強(qiáng)光譜吸收，減少能量損失，優(yōu)化活性層形貌并且能提高器件的穩(wěn)定性。但是對(duì)組成活性成的三組分的一般要求為能級(jí)匹配，否則共混薄膜易生成陷阱中心，造成載流子的復(fù)合，器件的性能降低。

  針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，該課題組前期設(shè)計(jì)并合成了兩種新型的深HOMO能級(jí)的高分子給體材料-- PDBT(E)BTz-p 和 PDBT(E)BTz-d.這兩種深HOMO能級(jí)的高分子給體材料被作為第三組分添加到經(jīng)典高效的二元體系PBDB-T-SF:IT-4F中，當(dāng)添加5%的PDBT(E) BTz-d時(shí)，三元器件的光電轉(zhuǎn)換效率從12.1% 提高到了13.4%。他們發(fā)現(xiàn)第三組分的能級(jí)在給體和受體之間，這種情況下第三組分有助于器件性能的提高（J. Mater. Chem. A, 2019,7, 14153-14162）。其他課題組也報(bào)道了類似的現(xiàn)象。但是沒有報(bào)道過(guò)第三組分的HOMO能級(jí)低于原二元給受體的HOMO能級(jí)的情況下的三元聚合物太陽(yáng)能電池是否有效。

  因此在前期的工作基礎(chǔ)上，該課題組相繼又合成了更低的HOMO能級(jí)（-5.7 eV）的聚合物給體材料-- PBT(E)BTz并把其作為第三組分構(gòu)建三元聚合物太陽(yáng)能電池。該類分子中的BDT核有利于材料的分子結(jié)構(gòu)相容性，好的多元共混體系的形貌，對(duì)電池活性層中的分子聚集，載流子傳輸產(chǎn)生有利影響（Nature Photonics 2015, 9, 190-198)。設(shè)計(jì)路線如圖1。

圖1. 新型高分子給體材料PBT(E)BTz的設(shè)計(jì)路線

  在PBDB-T-SF:IT-4F體系中，PBT(E)BTz的HOMO能級(jí)同時(shí)低于二元的給受體的HOMO能級(jí)。在這種情況下，當(dāng)添加適當(dāng)?shù)牧康腜BT(E)BTz時(shí)（5%），，三元器件的光電轉(zhuǎn)換效率提高到了13.19%。為了研究這中三元體系的工作機(jī)理，他們對(duì)二元以及三元共混薄膜進(jìn)行了瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的熒光表征（如圖2）。經(jīng)過(guò)分析，得益于寬帶隙材料PBT(E)BTz與PBDB-T-SF之間的能量轉(zhuǎn)移，可以增強(qiáng)對(duì)光子能量的利用從而增加了三元器件的短路電流的提高。值得注意的是，添加少量深HOMO能級(jí)的PBT(E)BTz使得三元薄膜中的激子解離得到提高，而并沒有造成因能級(jí)不匹配而產(chǎn)生的陷阱中心，這也是與現(xiàn)有三元聚合物電池工作機(jī)理不同的地方。

圖2. a) 純IT-4F薄膜，PBDB-T-SF:IT-4F二元以及三元共混薄膜（5%, 10% and 20% PBT(E)BTz)光致發(fā)光光譜。b)純 PBDB-T-SF 薄膜和 純PBT(E)BTz 薄膜 以及 給體共混PBDB-T-SF:PBT(E)BTz薄膜的光致發(fā)光光譜。c) 純 PBDB-T-SF 薄膜和PBDB-T-SF:PBT(E)BTz共混薄膜的時(shí)間分辨熒光光譜d) 三元工作機(jī)理圖。

  為了進(jìn)一步證實(shí)這一發(fā)現(xiàn)，他們通過(guò)選取合適的二元體系PBDB-T：IT-M進(jìn)一步拉大與PBT(E)BTz的HOMO能級(jí)差。當(dāng)添加5%的PBT(E)BTz時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)三元器件有同等程度的提高（從10.5%到11.06%）。然后他們選取了另一個(gè)高效的二元體系PBDBTF:BTP-4Cl來(lái)證實(shí)PBT(E)BTz作為第三組分的普適性（如圖3）。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)添加少量的PBT(E)BTz（5%）時(shí)，三元聚合物太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到16.26%，這也是目前三元聚合物太陽(yáng)能電池最高效率之一。此外，他們發(fā)現(xiàn)少量PBT(E)BTz的添加可以作為一種有效的器件性能“穩(wěn)定劑”，同時(shí)提高二元器件的熱穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性。該三元體系為同時(shí)提高器件的性能和穩(wěn)定性提供了簡(jiǎn)單有效的策略。

圖3. a)二元以及三元器件的J-V 曲線。b) 二元以及三元器件的EQE曲線。c)二元以及三元未封裝器件持續(xù)80℃加熱老化的歸一化PCEs。d) 二元以及三元封裝器件持續(xù)1 sun的光照下老化的歸一化PCEs。

  該工作發(fā)表在Advanced Functional Material（DOI:org/10.1002/adfm.201910466）上。第一作者是香港理工大學(xué)電子及資訊工程學(xué)系博士生張穎，通訊作者為李剛教授，現(xiàn)為港理工鐘士元爵士可再生能源教授。本研究受到香港研究資助局（PolyU 15218517）、深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)（JCYJ 20170413154602102）、香港理工大學(xué)（1-ZE29）及華南理工大學(xué)發(fā)光材料與器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金的資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.201910466