孙会靓教授：逐步沉积技术使全聚合物太阳能电池效率超过16%

广州大学教授&南方科技大学访问教授孙会靓课题组发展了具有普适性的逐步沉积聚合物薄膜技术，获得了逐步沉积技术加工的全聚合物太阳能电池最高效率，为全聚合物太阳能电池效率提升提供了有效实施途径。

全聚合物太阳能电池（all-PSCs）光活性层由聚合物给体和聚合物受体共混组成。由于具有优异的稳定性和力学柔韧性而备受关注。2017年，李永舫院士团队提出的“小分子受体高分子化”策略使all-PSCs的效率大幅度提升（Angew. Chem. Int. Ed., 2017,56, 13503）。孙会靓与其合作者在解决小分子受体端基异构化的前提下，率先合成了区域结构规整的小分子聚合物（Adv. Mater. 2020, 32, 2005942），并在此基础上提出了“稠环电子受体与稠环酰亚胺基受体相结合”的设计概念，发展了一系列具有高迁移率、窄带隙的聚合物受体材料（Adv. Mater. 2020, 32, 2004183），这些新型聚合物受体材料为all-PSCs进一步的效率突破奠定了坚实的材料基础。

近日，该研究团队以自主研发的高迁移率、窄带隙聚合物受体L15 （Adv. Mater. 2021, 33, 2102635）和商业化可购买的聚合物给体PM6作为活性层材料（图1），采用逐步沉积聚合物薄膜技术，结合非正交溶剂和添加剂的协同作用，精细调控聚合物给体和受体的垂直梯度分布和薄膜形貌，有效地减少了缺陷态密度和电荷复合损失，并获得了逐步沉积技术加工的全聚合物太阳能电池最高效率（16.15%）（图2）。

图1 （a）聚合物PM6和L15的化学结构；（b）全聚合物太阳能电池的两种加工方法及器件结构。

图2 全聚合物太阳能电池（a）J-V，（b）EQE和（c）效率分布曲线；（d）文献中报道的逐步沉积加工的all-PSCs的效率与J_SC关系图。

紫外可见吸收光谱结果表明，PM6和L15的光谱吸收范围互补，且逐步沉积薄膜在红外区域的吸收系数更高，这有利于更好的光吸收，因此增强J_SC值。瞬态吸收光谱从激子扩散动力学角度探究发现，逐步沉积薄膜中有更多的激子扩散到给受体界面并发生超快解离。此外，作者还通过光致发光光谱实验定量评估两种薄膜的激子猝灭效率，结果表明逐步沉积薄膜有更多的激子解离和抽取。作者还对制备的单电子或单空穴器件进行SCLC测试，结果发现逐步沉积器件的电子和空穴迁移率均高于体异质结薄膜，且电子/空穴迁移率比例更接近于1，这说明逐步沉积器件中的载流子传输更高效且平衡，对应于更高的J_SC和FF。光强依赖实验结果表明，逐步沉积器件中的双分子复合更少、电荷提取更快速（图3）。

图3 全聚合物混合膜（a）吸收系数和（b-d）TA光谱图；(e) L15和全聚合物混合膜的PL图和（f）电流和光强关系图

通过多组经典聚合物光伏材料体系，作者还证实了这种逐步沉积方法对提升all-PSCs效率的普适性（图4），为all-PSCs进一步的效率突破提供了新途径。

图4 （a）经典聚合物光伏材料化学结构图；（b）all-PSCs的J-V曲线。

该工作最近发表于SCIENCE CHINA Chemistry，论文第一作者为硕士生李棒棒（南方科技大学），通讯作者为孙会靓（广州大学&南方科技大学）。该工作得到了南方科技大学郭旭岗、陈锐和叶飞教授，广州大学牛利教授、韩冬雪教授，韩国高丽大学Han Young Woo教授团队的支持。

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通讯作者简介

孙会靓 广州大学教授，南方科技大学访问教授。 2017年博士毕业于中国科学院长春应用化学研究所，高分子化学与物理国家重点实验室（2017），2017年7月至2020年7月先后于华南理工大学、南方科技大学、香港科技大学进行博士后研究工作。2019年7月，受聘南方科技大学材料科学与工程系任副研究员。2021年11月，以百人A计划加入广州大学化学化工学院，任学科带头人，同时任南方科技大学访问教授。主要从事新型光电转换材料、相关机理及器件关键技术研究。

团队主页-广州大学：http://caas.gzhu.edu.cn/szdw1/js.htm

南方科技大学：https://faculty.sustech.edu.cn/sunhl/; https://faculty.sustech.edu.cn/guoxg/