郑州大学孙晨凯和化学所李永舫院士《Adv. Mater.》: 16.52%效率的全聚合物太阳能电池

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全聚合物太阳能电池（all-PSCs）的光活性层由p型共轭聚合物作为电子给体和n型共轭聚合物作为电子受体共混组成，具有良好的溶液加工性、机械柔性和良好的形貌稳定性，近年来吸引了越来越多研究者的兴趣。主要得益于高性能n型聚合物受体的快速创新，目前all-PSCs的能量转换效率（PCE）已经超过16%。然而，相比于聚合物给体:小分子受体基的有机太阳能电池（PCE超过18%），all-PSCs的光伏性能仍然相对落后，这主要是由于高性能聚合物受体相对匮乏以及all-PSCs的光活性层微观形貌不易调控。

为了提高all-PSCs的光伏性能，最近郑州大学化学学院孙晨凯课题组和中科院化学所李永舫院士团队合作，通过三元策略，将他们前期开发的低成本高效聚合物给体PTQ10作为第三组分引入到PM6:PY-IT基的全聚合物太阳能电池的光活性层中，来调控和优化光活性层（PM6:PY-IT）的微观形貌（Fig. 1）。PTQ10的加入诱导了减小的分子π-π堆积距离、增加的分子π-π堆积相干长度和垂直基底方向上更加有序的分子堆积取向(Fig. 2)，这引起了光活性层中激子解离概率提高、载流子复合减少且电荷传输增强。另外，得益于PTQ10更深的HOMO能级，三元器件表现出提高的开路电压。最终，得益于同时提高的开路电压、短路电流密度和填充因子，基于PM6:PTQ10:PY-IT的三元all-PSCs实现了16.52%的PCE，这是当前all-PSCs的最高效率之一。同时，该器件表现出优异的厚膜性能(Fig. 3)，在光活性层厚度为~205 nm和~306 nm时，依然实现了15.27%和13.91%的PCEs，它们均是目前报道的基于厚膜的all-PSCs电池的最高效率，这非常有利于器件的卷对卷大面积印刷制备。这个研究工作证明了三元共混策略对提高all-PSCs光伏性能的重要性，并表明PM6:PTQ10:PY-IT基的三元all-PSCs在商业化应用中具有巨大的潜力。

 
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 V_oc and J_sc 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.相关研究成果以“16.52% Efficiency All-Polymer Solar Cells with High Tolerance of the Photoactive Layer Thickness”为题于近日发表在国际权威学术期刊《Advanced Materials》 上，郑州大学化学学院硕士研究生张文庆为论文第一作者，郑州大学孙晨凯博士（直聘教授）为论文的共同第一作者兼通讯作者，中科院化学所李永舫研究员和北卡州立大学Harald Ade教授为论文共同通讯作者，郑州大学化学学院为第一单位。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202108749

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