华南理工大学於黄忠教授团队在提高三元聚合物太阳能的光电转换效率上取得新进展

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近期，华南理工大学於黄忠教授团队在提高三元聚合物太阳能的光电转换效率上取得新进展，探索了廉价且环保的生物材料蓝铜肽（GHK-Cu）在调节活性层结晶度和相分离方面的作用，并在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上面发表了题目为“Efficient Ternary Polymer Solar Cells with Tunable Crystallinity and Phase Separation of Active Layers via Incorporating GHK-Cu”的文章（DOI:10.1021/acsami.1c12326）。华南理工大学物理与光电学院硕士研究生黄金珍为论文第一作者。此研究得到国家自然科学基金等项目的资助。

非富勒烯小分子受体的结晶度在聚合物太阳能电池的双分子复合和载流子转移中起着重要作用。然而，由于相分离和结晶过程中施主（PBDB-T）和受主（ITIC）之间的竞争，PBDB-T优先形成晶体网络，限制了ITIC的分子扩散，导致ITIC结晶度弱，最终限制了光电转换效率。因此，该课题组将一种小分子生物材料GHK-Cu引入到二元PBDB-T:ITIC中，构建了PBDB-T:ITIC:GHK-Cu三元体系。GHK-Cu的加入提高了ITIC的结晶度，促进了PBDB-T和ITIC连续单相域的形成，从而创建了优化的双连续网络路径，以增加和平衡聚合物太阳能中的电荷传输。同时，GHK-Cu到PBDB-T的有效能量转移GHK-Cu提高了PBDB-T的光子捕获率和激子产生率。此外，它可以与PBDB-T和ITIC形成互补吸收光谱，从而提高三元器件的光电转换效率。所制备的聚合物太阳能（PBDB-T:ITIC:GHK-Cu）其光电转换效率从二元的10.28%提高到12.07%，同时聚合物太阳能（PM6:Y6:GHK-Cu）的光电转换效率也从二元聚合物太阳能的15.21%提高到三元的17.11%。这项工作表明，廉价且环保的生物材料蓝铜肽(GHK-Cu)在调节活性层结晶度和相分离方面具有巨大的潜在应用前景。

图1（a）GHK-Cu、PBDB-T和ITIC的化学结构；（b）太阳电池的结构图；（c）所用材料的能级图；（d） PBDB-T的吸收光谱和GHK-Cu的PL激发光谱（340 nm激发）；（e） PBDB-T和PBDB-T:GHK-Cu的荧光光谱。

图2（a-e）具有不同GHK-Cu含量的PBDB-T:ITC:GHK-Cu薄膜的AFM图片；（f）PBDB-T:ITIC薄膜，（g）PBDB-T:ITIC:0.1 wt% GHK-Cu薄膜和（h）PBDB-T:ITIC:0.2wt% GHK-Cu薄膜的2D GIWAXS图像；相应的1D GIWAXS剖面（i）平面外（j）和平面内。

图3 分子间氢键（N-H∙∙∙N）的证明：（a）ITIC、GHK-Cu和ITIC:GHK-Cu薄膜的FT-IR光谱；放大的（b）N-H和（c）C≡N FT-IR光谱；（d）PBDB-T，（e）ITIC，（f）GHK-Cu和（g）ITIC:GHK薄膜的WCAs图像。PBDB-T和ITIC结晶性增强的示意图：（h）PBDB-T:ITIC薄膜和（i）PBDB-T:ITIC:GHK-Cu薄膜。

图4 （a） 不同GHK-Cu含量的PBDB-T:ITIC:GHK-Cu的PSC的J-V特性曲线；相应的（b）暗导曲线和（c）EQE光谱；（d） PBDB-T:ITIC:GHK-Cu薄膜的光吸收光谱；（e） 基于PM6:Y6:GHK-Cu（0和0.1 wt%）的PSC的J-V曲线和相应的（f）暗导曲线。

图5 暗条件下（a）单电子器件和（b）单空穴器件的J^1/2–V特性曲线。 

图6 含不同GHK-Cu含量的PSC的（a）V_OC-P和（b）J_SC-P曲线

图7 二元的PSC（PBDB-T:ITIC）和三元PSC（PBDB-T:ITIC:0.1 wt% GHK-Cu）归一化的（a）V_OC、（b）J_SC、（c）FF和（d）PCE与放置时间之间的关系。

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https://doi.org/10.1021/acsami.1c12326

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