华南理工大学叶轩立教授团队《Adv. Mater.》：非卤溶剂加工的高效聚噻吩给体有机太阳电池取得新进展
在过去几年中，受益于新型非富勒烯受体和与之匹配的宽带隙给体的开发，有机太阳电池的性能得到了突飞猛进的发展，其能量转换效率（PCE）已成功突破18%。这使得人们越来越憧憬着有机太阳电池技术的产业化应用。对于这项技术未来的产业化应用而言，除了PCE要求高以外，有机太阳电池的制备成本和工作寿命也是同等重要的条件。迄今为止，大部分高效有机太阳电池的活性层材料体系均基于D-A型给体和A-D-A型或A-DA’D-A型非富勒烯受体；而这些结构逐渐复杂的给、受体材料也日益增加了合成复杂性（synthetic complexity，SC）和成本，因此难以降低这些高效材料体系的品质因子（figure of merit，FOM=SC/PCE）来满足有机太阳电池的产业化应用要求。相对于D-A型给体，聚噻吩给体具有更易于合成和大批量生产的优点。其中，P3HT是目前最典型的聚噻吩给体，仅需三步简单合成并且可以按千克量级合成得到。但由于P3HT较差的光吸收特性和较高的HOMO能级，基于P3HT给体的有机太阳电池至今尚未能获得超过10%。另一方面，HOMO能级较低的另一种聚噻吩给体（PDCBT）及其衍生物，与新型非富勒烯受体匹配可以获得10%~12%的PCE，然而这是基于氯仿、氯苯等卤素溶剂加工来实现的。因此，如何开发非卤溶剂加工的高效聚噻吩给体有机太阳电池对于推进这项技术的产业化应用尤为重要。
图1 Y6-BO、P3HT和 P4T2F-HD的化学结构、能级和光吸收谱图；该工作中采用的器件结构及所制备器件的J-V曲线。
近日，华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室的叶轩立教授团队报道了一种非卤溶剂加工的、效率超过13%的聚噻吩给体有机太阳电池（图1）。通过氟原子的引入来降低聚噻吩给体的HOMO能级并提高其分子堆积能力，同时通过支化长烷基侧链来改善聚噻吩给体的溶解性。差示扫描量热法测试和表面能测试结果表明，P3HT与A-DA’D-A型非富勒烯受体Y6-BO之间的混溶性非常好，而P4T2F-HD和Y6-BO之间的混溶性相对较差。该混溶性导致了P3HT:Y6-BO共混薄膜中的给、受体分子完全互混、缺乏载流子传输通道，P4T2F-HD:Y6-BO共混薄膜中则存在着给、受体分子互穿网络的相分离形貌（图2）。因此，P4T2F-HD相比P3HT可实现更高的器件效率。同时，通过非卤溶剂添加剂（二苯醚）和富勒烯自组装分子（C60-SAM）来分别进行活性层形貌优化和电子传输层界面修饰，该团队最终成功突破聚噻吩给体有机太阳电池的效率纪录，获得了13.65%的PCE。
图2 P4T2F-HD、P3HT和Y6-BO及其共混物的DSC曲线、共混薄膜的TEM和GIWAXS测试结果。
如图3所示，基于P4T2F-HD:Y6-BO材料体系的有机太阳电池还展现出了对活性层膜厚和加工溶剂的较低的敏感性：在110~250nm的活性层膜厚范围内可维持13%以上的PCE，通过甲苯、邻二甲苯和均三甲苯多种非卤溶剂加工均可获得约13%的PCE。最优化的P4T2F-HD:Y6-BO有机太阳电池（未经封装），在氮气手套箱中暗态存放3000小时后依然保持了98%的初始效率；而在氮气手套箱中被持续加热（85℃）时，虽然该器件效率在最初1小时内会出现10%的衰减，但在1小时后表现出优异的稳定性。
图3 活性层膜厚、加工溶剂对P4T2F-HD:Y6-BO器件效率的影响及最优化P4T2F-HD:Y6-BO器件的暗态存放稳定性和受热稳定性。
最后，该团队从最简单、可廉价采购的原材料出发，计算了多种聚噻吩给体、高效D-A型给体和非富勒烯受体的合成复杂度（SC）。结果（图4）表明，聚噻吩给体的SC普遍低于高效D-A型给体；而P4T2F-HD在高效聚噻吩给体中也相对较低，却可以获得最高的PCE。将给、受体的SC结合一起计算得到不同体系的FOM，显然P4T2F-HD:Y6-BO是非常具有成本效益的高效材料体系之一。
图4 代表性聚噻吩给体有机太阳电池的效率发展；高效聚噻吩给体、D-A型给体和非富勒烯受体的SC、PCE和FOM统计图。
以上研究不仅证明了调控给受体材料的混溶性对实现高效聚噻吩有机太阳电池的重要性，而且提出了一种极具产业化潜力（非卤溶剂加工、低成本、厚膜高效且稳定性良好）的有机太阳电池。该工作以“Surpassing 13% Efficiency for Polythiophene Organic Solar Cells Processed from Non-halogenated Solvent”为题目发表在《Advanced Materials》上，华南理工大学肖经洋博士后为第一作者，大理大学贾小娥老师为共同一作，叶轩立教授为通讯作者。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202008158
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