溶剂添加剂固化策略制备~19%效率的高稳定性聚合物太阳能电池

添加剂在提高聚合物太阳电池（PSCs）光伏性能方面起着至关重要的作用。然而，用于优化PSCs共混形态的常用添加剂仍然是卤代高沸点溶剂，但此类添加剂的微量残留可能会降低器件光伏性能稳定性。最近，湘潭大学青年教师肖曼军联合西安交通大学凡群平教授和马伟教授等人通过引入共价键将溶剂添加剂（如二苯硫醚/DPS）固化为固体添加剂（如二苯并噻吩/DBT），利用“溶剂添加剂固化（SSA）”策略成功解决了以上科学难题。研究结果显示，热挥发性固体添加剂DBT处理的二元活性层PM6:Y6和PM6:L8-BO在PSCs中分别实现了高达17.9%和18.9%的能量转换效率（PCEs）。据统计，18.9%的PCE是二元PSCs的最高值之一。该工作开发了一种简单且有效的添加剂设计策略，以提高PSCs的效率并改善稳定性，具有很好的应用前景。

近年来，为避免卤代高沸点添加剂对PSCs器件稳定性的不利影响，研究人员开始研究用热挥发性固体添加剂在提高器件PCE和稳定性中的协同促进作用。热挥发性固体添加剂继承了溶剂添加剂的优点，能够有效优化活性层形貌。此外，由于其优异的热挥发性，相应处理的PSCs通常具有更好的器件稳定性和重现性。然而，尽管热挥发性固体添加剂在改善PSCs器件性能方面具有很好优势，但目前广泛使用于PSCs中的添加剂仍然是卤代高沸点溶剂，如1,8-二碘辛烷和氯萘等。因此，寻找一种简单有效的方法来实现添加剂从溶剂到挥发性固体的转变，获得更高效、更稳定的PSCs，仍然是一个亟待解决的问题。

图1. 添加剂的物理、化学性能以及添加剂在薄膜当中的作用机理示意图

最近，湘潭大学青年教师肖曼军联合西安交通大学凡群平教授和马伟教授等人合作开发“SSA”新策略，即通过一步合成法引入共价键，将高沸点溶剂添加剂DPS固化为热挥发性固体添加剂DBT。在这项工作中，研究者将DPS和DBT分别加入到PM6:Y6传统体系中，系统研究了相关工作机理。结果表明，与DPS处理共混膜相比，DBT处理共混膜在增强光吸收、促进电荷转移、诱导分子结晶和改善活性层形貌等方面明显优于DPS处理共混膜。因此，DBT处理PSCs获得了更高的J_SC和FF，这得益于器件更好的激子解离、电荷传输以及更平衡的载流子迁移率。此外，相比于DPS处理PSCs，DBT处理PSCs器件能量损失更小，因此获得更高V_OC。综上，通过对比不同添加剂（DPS vs DBT）处理后V_OC、J_SC和FF三者之间的变化，证明了SSA策略是提升PSCs性能的有效手段。

图2. 器件稳定性和SSA策略普适性的研究

研究者进一步在PM6:L8-BO体系中对SSA策略普适性进行了研究。结果表明DBT处理PSCs获得了18.9%效率，该效率是目前二元体系最高值之一。同时，研究者对SSA策略发展的三种添加剂体系（DPE vs DBF、DPM vs DBP和POB vs DBFC）进行了拓展研究。基于热挥发性固体添加剂（DBF、DBP、DBFC）处理的PM6:Y6二元器件也实现了更高PCEs，进一步验证了SSA策略的普适性。此外，溶剂添加剂DPS在共混膜中难以彻底除去导致器件长期稳定性降低，而DBT由于具有更好的热挥发性和形貌优化性能，相应器件的储存稳定性和热稳定性更好，这有利于PSCs的实际应用。总之，利用SSA策略把高沸点溶剂添加剂固化为热挥发性固体添加剂，是制备高效稳定PSCs的有效手段，也为低成本固体添加剂的设计开发提供了借鉴。

详见：Manjun Xiao, Longfei Liu, Yongdie Meng, Baobing Fan, Wenyan Su, Conggui Jin, Luocheng Liao, Fan Yi, Chao Xu, Rui Zhang, Alex K.-Y. Jen, Wei Ma, and Qunping Fan. Approaching 19% Efficiency and Stable Binary Polymer Solar Cells Enabled by a Solidification Strategy of Solvent Additive. Sci. China Chem., 2023, doi: 10.1007/s11426-023-1564-8.

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