苏州大学崔超华教授《Adv. Funct. Mater.》：蒽固体添加剂辅助优化活性层形貌，显著提升光伏器件性能

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调控有机半导体材料的聚集尺寸以形成均匀的纳米尺寸相分离形貌结构，是制备高性能聚合物太阳能电池器件的关键。与富勒烯受体材料不同，目前广泛使用的稠环非富勒烯给体材料具有较强的自聚集特性以及与给体材料类似的p-共轭结构，增加了形貌优化的难度。并且，目前稠环非富勒烯体系的形貌调控方法大都沿用于富勒烯体系，难以满足稠环非富勒烯材料的结构特性，极大限制了光伏性能的提升。

最近，苏州大学李永舫院士团队的崔超华教授等使用蒽作为固体添加剂，发展了一种简单有效的形貌调控新方法。与聚合物给体材料PM6相比，蒽与非富勒烯受体材料Y6的相容性更高，使蒽能够在PM6:Y6的成膜过程中有效抑制Y6分子的过度自聚集（Figure 2a）；随后90 ℃热退火处理，使蒽添加剂从共混膜中挥发，同时PM6嵌入Y6聚集区域，最终形成了较1-氯萘液体添加剂处理的更为均匀的给受体互穿网络结构（Figure 2b），同时提升了分子堆积有序性，从而显著促进了激子的分离及传输，将光伏器件的能量转换效率从15.60%提升至17.02%（Table 1）。并且，蒽添加剂能够有效地解决Y6分子在高沸点加工溶剂中的过度聚集问题，克服了器件加工溶剂选择的局限性：使用氯苯、邻二甲苯或甲苯加工的基于PM6:Y6的光伏器件都取得了15%以上的能量转换效率，而使用1-氯萘添加剂处理的对比器件的能量转换效率低于11% （Table 1）。此外，该形貌调控方法还表现出良好的普适性，应用于多种非富勒烯共混膜体系都可有效改善形貌、提升光伏性能。尤其是，经蒽添加剂处理的基于PTQ10:Y6:PC71BM三元器件的能量转换效率达到了17.51%。

Figure 1. (a) Chemical structures of PM6, Y6, and anthracene. (b) TGA plot of anthracene at a scan rate of 5 °C min⁻¹  under inert atmosphere.

Figure 2. (a) AFM topography images of chloroform-processed PM6 film without or with TA at 90 ℃ for 10 min, Y6 film without or with TA at 90 ℃ for 10 min, PM6:An (1:0.74, w/w) film without or with TA at 90 ℃ for 10 min, and PM6:An (1:0.614, w/w) film without or with TA at 90 ℃ for 10 min. (b) Schematic diagram of the effect of anthracene additive treatment on the morphology of PM6:Y6 blend.

Table 1. Photovoltaic parameters of the PM6:Y6 (1:1.2, w/w)-based PSCs processed by different processing solvents with different additive, under AM 1.5 G illumination at 100 mW cm^-2.

^(a)Thermal annealing at 110 ℃ for 10 min. ^(b)Thermal annealing at 90 ℃ for 10 min. 

结果表明，蒽固体添加剂在优化共混膜形貌、构建高性能有机光伏器件上具有良好的应用潜力。相关研究成果近日以“Anthracene-Assisted Morphology Optimization in Photoactive Layer for High-Efficiency Polymer Solar Cells”为题发表在Advanced Functional Materials (2021，DOI：10.1002/adfm.202103944)。论文的第一作者为苏州大学博士研究生范宏宇，通讯作者为苏州大学崔超华教授。该研究工作得到了国家自然科学基金项目和江苏省自然学科基金项目的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202103944

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