Adv. Funct. Mater. 華南理工大學研發新聚合物添加劑提高有機太陽電池效率

正如我們所知道的，聚合物太陽電池由于其質量輕薄、柔性、大面積等優點，表現出了良好的發展前景。國內外的科學家展開了廣泛的研究，到目前為止效率已經突破11%。為了更進一步提高電池器件效率，拓寬吸收，優化器件結構至關重要。

與窄帶隙聚合物相比，寬帶隙給體聚合物具有更深的HOMO能級，我們可以獲得較高的開路電壓V_oc以及更穩定的材料。除此之外，這類材料可以用在三元或者疊層器件結構中，與窄帶隙聚合物形成互補吸收。

然而，目前文獻報道的寬帶隙聚合物（如PBTA-BO）一般具有大約1.9eV的光學帶隙，最終器件效率也僅有6-7%左右。由于該聚合物在與PC₇₁BM制備體異質結電池時，獲得較差的活性層形貌，所以這限制了器件效率的進一步提高。也有課題組將選用高沸點的DIO作為共混溶劑，在一定程度上可以提高器件效率，但是由于高沸點溶劑的殘留，會影響器件長期的穩定性。

最近，華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室的黃飛教授課題組在Adv. Funct. Mater.上報道了一種寬帶隙聚合物添加劑（如圖1），在烷基側鏈上連入極性的五氟苯單元，有效提高了聚合物的表面能（如圖4），與PC₇₁BM更好的混溶（圖5），表現出了纖維狀互傳網絡結構。

圖1 PBTA-FPh、PBTA-BO以及PC₇₁BM的分子結構，以及器件結構示意圖

圖2 在AM 1.5G at 100 mW cm^?2的太陽光下，器件結構為ITO/PEDOT:PSS/photoactive layer/PFN-Br/Al的電流-電壓曲線（a）以及電池的外部量子效率（EQE）曲線

表1 器件光伏數據

圖3 （a）不同活性層的太陽電池的短路電流對光照強度的依賴性；（b）不同活性層的瞬態光電流與時間的關系曲線

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圖4 接觸角的測量a,d) PBTA-BO, b,e) PBTA-FPh, and c,f) PBTA-BO: PBTA-FPh (1:0.02%)；其中a-c）是用去離子水，d-f）用DIO

圖5 a,c) PBTABO:PC₇₁BM和b,d) PBTA-BO:PC₇₁BM:PBTA-FPh薄膜的AFM高度圖（a, b）和TEM圖（c, d）

圖6 （a）分別基于PBTA-BO:PC₇₁BM, PBTA-BO:PC₇₁BM:PBTA-FPh以及PBTA-FPh:PC₇₁BM混合薄膜的SCLC空穴遷移率；（b）分別基于PBTA-BO和PBTA-FPh純膜的SCLC空穴遷移率

作者成功地設計合成了含有極性基團側基的聚合物PBTA-FPh，用作添加劑，獲得了均一的活性層形貌，并與PC₇₁BM形成良好的混溶。作者發現，向PBTA-BO：PC₇₁BM活性層中加入適量PBTA-FPh作添加劑，有效提高了電池的效率PCE（表一、圖2）。作者認為這主要是因為提高了電荷載流子的遷移，減小了復合（圖6）。

對于有機太陽電池中添加劑的應用已經非常非常多，但是其具體的作用機理（即提高光電轉換效率的作用機制）仍有待深挖！而且能否找到一類具有普適性的添加劑來應用到基于不同給體材料的有機太陽電池中，仍然需要廣大科研工作者的努力！

文獻鏈接：Improved Morphology and Efficiency of Polymer Solar Cells by Processing Donor–Acceptor Copolymer Additives（Advanced Functional Materials，2016，DOI:?10.1002/adfm.201601625）

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