全聚合物太陽能電池（all-PSCs）的光活性層由p型共軛聚合物作為電子給體和n型共軛聚合物作為電子受體共混組成，具有良好的溶液加工性、機械柔性和良好的形貌穩定性，近年來吸引了越來越多研究者的興趣。主要得益于高性能n型聚合物受體的快速創新，目前all-PSCs的能量轉換效率（PCE）已經超過16%。然而，相比于聚合物給體:小分子受體基的有機太陽能電池（PCE超過18%），all-PSCs的光伏性能仍然相對落后，這主要是由于高性能聚合物受體相對匱乏以及all-PSCs的光活性層微觀形貌不易調控。
為了提高all-PSCs的光伏性能，最近鄭州大學化學學院孫晨凱課題組和中科院化學所李永舫院士團隊合作，通過三元策略，將他們前期開發的低成本高效聚合物給體PTQ10作為第三組分引入到PM6:PY-IT基的全聚合物太陽能電池的光活性層中，來調控和優化光活性層（PM6:PY-IT）的微觀形貌（Fig. 1）。PTQ10的加入誘導了減小的分子π-π堆積距離、增加的分子π-π堆積相干長度和垂直基底方向上更加有序的分子堆積取向(Fig. 2)，這引起了光活性層中激子解離概率提高、載流子復合減少且電荷傳輸增強。另外，得益于PTQ10更深的HOMO能級，三元器件表現出提高的開路電壓。最終，得益于同時提高的開路電壓、短路電流密度和填充因子，基于PM6:PTQ10:PY-IT的三元all-PSCs實現了16.52%的PCE，這是當前all-PSCs的最高效率之一。同時，該器件表現出優異的厚膜性能(Fig. 3)，在光活性層厚度為~205 nm和~306 nm時，依然實現了15.27%和13.91%的PCEs，它們均是目前報道的基于厚膜的all-PSCs電池的最高效率，這非常有利于器件的卷對卷大面積印刷制備。這個研究工作證明了三元共混策略對提高all-PSCs光伏性能的重要性，并表明PM6:PTQ10:PY-IT基的三元all-PSCs在商業化應用中具有巨大的潛力。
Figure 1. a) Molecular structures and b) normalized film absorption spectra of the polymer donors PTQ10, PM6, and polymer acceptor PY-IT. c) Normalized film absorption spectra of the polymer blend films. d) Electronic energy level diagrams of PTQ10, PM6, and PY-IT. e) Device architecture of the all-PSCs used in this work.
Figure 2. a) AFM height images of the three polymer blend photoactive layers. b) The 2D GIWAXS patterns of the three polymer blend photoactive layers. c) The in-plane and out-of-plane line cuts of the three polymer blend photoactive layers.
Figure 3. a) Plots of the Voc and Jsc versus the photoactive layer thickness ranging from ~ 74 to ~ 306 nm. b) Plots of the FF and PCE versus the photoactive layer thickness ranging from ~ 74 to ~ 306 nm. c) Plots of the PCE versus photoactive layer thickness for the efficient all-PSCs reported in the literature and this work.
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202108749
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