华南理工大学段春晖团队：非卤溶剂加工的高效率聚噻吩有机太阳电池

有机太阳电池（OSCs）因其具有质轻、柔性、可溶液加工及可大面积生产等优点而受到广泛关注。随着光伏材料的创新和器件工艺的优化，OSCs的能量转换效率（PCE）已超过19%。而在各种聚合物给体中，共轭骨架完全由噻吩环组成的聚噻吩（Polythiophene, PTs）具有结构简单、合成成本低、结晶度高等优点，是有希望用于大规模制造和工业化的理想聚合物给体之一。华南理工大学段春晖课题组前期工作通过精细的分子设计对PT给体和小分子受体之间能级的调节以及相容性研究，实现了PT太阳电池的PCE超过17%。然而，目前高效的PT太阳电池的制备依赖于毒性较高的卤素溶剂，使用更绿色环保的非卤溶剂的研究较少。

近期，段春晖课题组团队通过对PT在非卤溶剂中的聚集性质研究，精细调控加工温度，实现了高效率PT太阳电池的制备，效率达到15.68%，是迄今为止非卤加工的PT太阳电池的最高效率。

图1. 常见卤素和非卤溶剂的化学结构、P5TCN-F25的化学结构以及P5TCN-F25的紫外-可见光吸收光谱。

该团队对比不同溶液加工温度发现，升高温度有利于形貌的改善和器件性能的提升。实验结果表明，在100 °C时加工的OSCs具有最佳的共混形貌，合适的结晶度和相分离尺寸，从而导致更有效的激子解离和更高更平衡的电荷传输。此外，P5TCN-F25还具有良好的受体普适性，搭配其他受体使用非卤溶剂加工的器件也能获得14%以上效率。这些结果不仅表明了高效的PT太阳电池可以用非卤溶剂制得，而且为低成本材料实现绿色加工提供有价值的启示。

图2. （a）基于P5TCN-F25:Y6-BO有机太阳电池在不同溶液温度下加工的J-V曲线；（b）文献报道的非卤溶剂加工的PT太阳电池的PCE和本文工作数据的总结；（c）对应的EQE响应；基于P5TCN-F25与非富勒烯受体（d）Y7-BO、（e）L8-BO和（f）eC9搭配的OSCs在不同溶液温度下加工的J-V曲线。

相关成果近期在线发表于SCIENCE CHINA Chemistry. 硕士研究生谭晓昕、李悠乐以及袁熙越博士为文章的共同第一作者，袁熙越博士、张月博士和段春晖教授为共同通讯作者。详细内容见：Xiaoxin Tan, Youle Li, Xiyue Yuan, Seoyoung Kim, Yue Zhang, Changduk Yang, Fei Huang, Yong Cao, Chunhui Duan. Polythiophene Solar Cells Processed from Non-halogenated Solvent with 15.68% Efficiency. Sci. China Chem., 2021,doi:10.1007/s11426-023-1695-x.

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