南昌大学陈义旺教授和谌烈教授课题组：高结晶性诱导小驱动力实现聚合物太阳能电池光电转化效率超过11%

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近年来，由于宽带隙给体聚合物和非富勒烯受体的迅猛发展，光电转化效率已经接近15%。然而，激子往往需要必要的驱动力来实现电荷的有效分离（∆E_HOMO或者 ∆E_LUMO>0.3eV），导致光子能量损失(E_loss)较大，器件的开路电压（V_OC）和短路电流(J_SC)不能够同时得到提高，从而限制了聚合物太阳能电池的进一步发展。

最近研究人员相继报道了一些低驱动力(∆E_HOMO 或者 ∆E_LUMO<0.3eV)下实现电荷高效分离的聚合物活性层材料，并实现了器件性能的进一步优化，然而分子结构和驱动力之间的关系并没有得到详细阐明。

近日，南昌大学化学学院陈义旺教授和谌烈教授课题组通过设计合成了宽带隙含有硅烷基侧链聚合物给体材料PBDS-T。相比于未引入硅烷基的聚合物PBDB-T，由于PBDS-T单体中σ*(Si)–π*(C)的相互作用，使PBDS-T结晶度更高、光吸收更强、拥有与非富勒烯受体ITIC更加匹配的能级。与ITIC共混后，制备器件在不退火的条件下获得了11.12%的效率。通过瞬态荧光以及对比本体异质结和双层异质结的稳态荧光研究发现，在∆E_HOMO 为 0.15 eV 和 ∆E_LUMO 为 0.22 eV的情况下，激子仍然能够高效分离。研究还发现，低驱动力下实现激子的有效分离和PBDS-T的结晶度相关。因此，PBDB-T:ITIC体系，PBDS-T:ITIC体系制备的器件同时实现了V_OC和J_SC明显提高。

图 1. (a) 器件结构图。 (b) 活性层。 (c) 不同条件下的J−V 曲线。 (d) 不同条件下的IPCE图以及电流的积分曲线。

图 2. AFM 高度图 (a) PBDB-T:ITIC混合膜 160 °C 退火 10 minute; (b) PBDS-T:ITIC混合膜 160°C 退火 10 minute and (c) PBDS-T:ITIC 不退火。 TEM 图(d) PBDB-T:ITIC 混合膜 160°C 退火 10 minute; (e) PBDS-T:ITIC 混合膜160°C 退火 10 minute and (f) PBDS-T:ITIC 不退火。

图 3. XRD图 (a) PBDS-T和PBDB-T, (b) PBDS-T:ITIC和PBDB-T:ITIC。

本文报道了通过在聚合物给体的BDT单元中引入硅烷基侧链，设计合成了结晶度高、吸收系数大、拥有与非富勒烯受体ITIC更加匹配的能级聚合物给体PBDS-T，在不退火的条件下实现了高效的器件性能。研究成果为今后有机太阳能电池在材料结构设计类型上同时提高V_OC和J_SC的研究进一步发展提供指导意义。相关工作由南昌大学陈义旺教授课题组发表在Advanced Functional Materials 上，文章的第一作者是南昌大学化学学院的博士研究生黄斌，南昌大学谌烈教授为通讯作者（Advanced Functional Materials, DOI: 10.1002/adfm.201800606.）

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201800606

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