在過去的五年里，由于非富勒烯接收器（NFAs）的出現(xiàn)及快速的發(fā)展，為改善聚合物太陽能電池（PSCs）的性能開辟了新的途徑。在基于小分子NFAs的單節(jié)和串聯(lián)電池的功率轉(zhuǎn)換效率（PCEs）已經(jīng)分別超過15％和17％。盡管最近報道的全聚合物太陽能電池（all-PSCs）在電子接受聚合物和供體聚合物的二元混合物方面取得了類似的進展，但是最好的單節(jié)電池也只有8-10％的PCEs，是低于基于小分子NFAs的聚合物太陽能電池。其中，改善all-PSCs性能的主要挑戰(zhàn)是如何同時增加短路電流（Jsc）和填充因子（FF），因為這兩者都嚴(yán)重依賴于混合形態(tài)。雖然現(xiàn)在已經(jīng)成功探索了一些控制和優(yōu)化all-PSCs的活性層共混物形態(tài)的方法，但是這些方法也需要使用溶液處理的添加劑以實現(xiàn)最佳的共混物形態(tài)和高效器件。

成果簡介

近日，美國華盛頓大學(xué)的SamsonA.Jenekhe教授團隊報道了一種在不使用任何溶液處理的添加劑下，新的雙苯并噻吩/硒吩-萘二亞胺偶聯(lián)共聚物受體BSSx(x=10,20,50)形成了高性能的all-PSCs。其中，BSS10與給體聚合物PBDB-T的共混物具有10.1%的功率轉(zhuǎn)換效率，97%的內(nèi)部量子效率和0.59eV光學(xué)帶隙能量損失(Eloss)。

項目亮點：

1、在不使用任何溶液處理的添加劑下，制備出了高性能去聚合物PSCs；

2、該all-PSCs具有10.1%PCEs、近乎100%的內(nèi)部量子效率和低的光學(xué)帶隙能量損失；

3、通過控制無規(guī)共聚物組成的合成變量，可以合理地優(yōu)化所有PSCs的共混物形態(tài)、電荷載流子遷移率和光伏性質(zhì)。

研究思路與結(jié)果討論

文中，作者首先分別合成了BSSx(x=0,10,20,50)和PBDB-T聚合物分子，其中它們的分子結(jié)構(gòu)如下圖所示。然后分別測試了PBDB-T和BSSx薄膜的光學(xué)吸收光譜(x=0,10,20,50)和供體聚合物和無規(guī)則共聚物受體的HOMO/LUMO能級，發(fā)現(xiàn)在X=10時，其所表現(xiàn)出的綜合結(jié)果是最好的。

接著，作者又分別測試了BSSx(X=0,10,20,50)在不同X值時，其電流密度(Jsc)與電壓(V)的關(guān)系以及在最佳BSSx:PBDB-T全聚合物太陽能電池的EQE譜，發(fā)現(xiàn)BSS10:PBDB-T是最佳的組合。同時，作者有對比已報道的all-PSCs的最大EQE與光學(xué)帶隙能量損失(Eloss=Eg–qVoc)，發(fā)現(xiàn)自己報道的all-PSCs具有低的帶隙能量損失。更重要的是，他們的制備方法中是不需要使用任何添加劑。并且作者分別計算出了這些組合的Jsc、Voc、FF、PCE、EQEmax等具體參考指標(biāo)的數(shù)值。

最后，作者分別測試PBDB-T與不同X值的BSSx(X=0,10,20,50)的組合的相關(guān)性能。通過BSSx：PBDB-T混合薄膜的2D-GIWAXS圖像以及面內(nèi)（IP）和平面外（OOP）方向的GIWAXS圖形的線切割，發(fā)現(xiàn)PBDB-T:BSS10組合的效果最好。并且，通過上述的一些測試，該組合的PCEs等相關(guān)性能都是最好的。

小結(jié)

綜上所述，作者合成了一系列新的n-型半導(dǎo)體無規(guī)共聚物BSSx(x=10,20,50)，其中，以BSS0為參考對照組對各組分進行了詳細(xì)的研究。在不使用溶液處理添加劑的情況下，每種BSSx與供體聚合物PBDB-T的共混物可以產(chǎn)生高效率（>9.6％）的all-PSCs。其中，BSS10:PBDB-T的all-PSCs具有高效率（>10％）、近乎100％的內(nèi)部量子效率和小的光學(xué)帶隙能量損失（<0.6eV）。此外，由BSS10和BSS20生產(chǎn)的all-PSCs具有高外部量子效率（>85％）和小Eloss（<0.6eV）。這項研究表明，設(shè)計合成無規(guī)共聚物結(jié)構(gòu)是有希望用于優(yōu)化形態(tài)和提高全聚合物PSCs性能的策略。