华南理工大学黄飞/段春晖团队：形貌调控实现效率15.4%的全聚合物太阳电池

华南理工大学黄飞/段春晖团队在之前报道的兼具高吸光系数和低能量损失的高性能聚合物受体PJ1的基础上，通过优化给体聚合物PBDB-T的分子量对其自身的聚集行为和给受体共混形貌进行调控，实现了效率15.4%和填充因子超过75%的全聚合物太阳电池。

全聚合物太阳电池（All-PSCs）是以聚合物给体和受体作为活性吸光层的光电转换能源器件。相较于其他活性层类型的有机太阳电池，All-PSCs具有良好的机械力耐受性，较高的给受体共混比例容忍性和优异的光、热稳定性，有望应用于柔性可穿戴和便携式电子器件中。大量研究课题组致力于发展高性能All-PSCs，但由于高效聚合物受体种类稀少及活性层形貌的复杂性，All-PSCs光电转换效率（PCEs）仍相对落后。

为了发展高性能聚合物受体，将稠环小分子受体作为共聚单元制备聚合物受体的策略应运而生。此前黄飞教授课题组以A-DA’D-A型稠环电子受体作为共聚单元构筑了一种聚合物受体PJ1，其具有较宽的吸收范围和较高的吸光系数，并在All-PSCs器件中能实现优异的光伏器件性能和较低的能量损失（Nano Energy 2020, 72, 104718）。然而，基于此类聚合物受体的All-PSCs器件在此前文献报道中的填充因子都未超过70%，表明对于此类聚合物受体，共混活性层形貌的调控和优化仍然是亟待研究的关键问题。近期，该团队报道了在非富勒烯小分子受体共混体系中，活性层共混形貌随给体聚合物分子量的演化过程（J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 556-565），证实了给体分子量调控是改善相分离形貌从而提升光伏器件性能的有效手段。

在本工作中，研究人员将给体分子量调控形貌策略应用于高效All-PSCs体系，发现随着给体聚合物PBDB-T分子量的增加，其自身聚集程度逐渐增加，薄膜face-on取向排列也逐渐增强。而中等分子量的PBDB-T_MW与PJ1混溶性适中，共混后实现了更优的相分离形貌，有利于促进激子解离和电荷传输，减少电荷复合几率，最优All-PSCs器件实现了超过75%的FF和15.4%的光电转换效率（图1）。超过75%的FF是基于该类受体材料目前报道的最高数值，15.4%是当前文献报道的All-PSCs最高效率。

图1  研究工作涉及给受体的化学结构(a)和吸收光谱(b); All-PSCs光伏器件性能: (c) J-V曲线,  (d) EQE谱图; (e) AFM表面形貌

该工作进一步证实了给体分子量调控是优化活性层共混形貌从而提升光伏器件性能的有效策略。也表明了对于All-PSCs而言，只要活性层共混形貌达到最优状态，其性能可以和小分子受体体系相媲美。

详见： Zhang L, Jia T, Pan L, Wu B, Wang Z, Gao K, Liu F, Duan C, Huang F, Cao Y. 15.4% Efficiency all-polymer solar cells. Sci. China Chem., 2021, 64, doi: 10.1007/s11426-020-9935-2

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