在過(guò)去的五年里，由于非富勒烯接收器（NFAs）的出現(xiàn)及快速的發(fā)展，為改善聚合物太陽(yáng)能電池（PSCs）的性能開辟了新的途徑。在基于小分子NFAs的單節(jié)和串聯(lián)電池的功率轉(zhuǎn)換效率（PCEs）已經(jīng)分別超過(guò)15％和17％。盡管最近報(bào)道的全聚合物太陽(yáng)能電池（all-PSCs）在電子接受聚合物和供體聚合物的二元混合物方面取得了類似的進(jìn)展，但是最好的單節(jié)電池也只有8-10％的PCEs，是低于基于小分子NFAs的聚合物太陽(yáng)能電池。其中，改善all-PSCs性能的主要挑戰(zhàn)是如何同時(shí)增加短路電流（Jsc）和填充因子（FF），因?yàn)檫@兩者都嚴(yán)重依賴于混合形態(tài)。雖然現(xiàn)在已經(jīng)成功探索了一些控制和優(yōu)化all-PSCs的活性層共混物形態(tài)的方法，但是這些方法也需要使用溶液處理的添加劑以實(shí)現(xiàn)最佳的共混物形態(tài)和高效器件。

成果簡(jiǎn)介

近日，美國(guó)華盛頓大學(xué)的SamsonA.Jenekhe教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種在不使用任何溶液處理的添加劑下，新的雙苯并噻吩/硒吩-萘二亞胺偶聯(lián)共聚物受體BSSx(x=10,20,50)形成了高性能的all-PSCs。其中，BSS10與給體聚合物PBDB-T的共混物具有10.1%的功率轉(zhuǎn)換效率，97%的內(nèi)部量子效率和0.59eV光學(xué)帶隙能量損失(Eloss)。

項(xiàng)目亮點(diǎn)：

1、在不使用任何溶液處理的添加劑下，制備出了高性能去聚合物PSCs；

2、該all-PSCs具有10.1%PCEs、近乎100%的內(nèi)部量子效率和低的光學(xué)帶隙能量損失；

3、通過(guò)控制無(wú)規(guī)共聚物組成的合成變量，可以合理地優(yōu)化所有PSCs的共混物形態(tài)、電荷載流子遷移率和光伏性質(zhì)。

研究思路與結(jié)果討論

文中，作者首先分別合成了BSSx(x=0,10,20,50)和PBDB-T聚合物分子，其中它們的分子結(jié)構(gòu)如下圖所示。然后分別測(cè)試了PBDB-T和BSSx薄膜的光學(xué)吸收光譜(x=0,10,20,50)和供體聚合物和無(wú)規(guī)則共聚物受體的HOMO/LUMO能級(jí)，發(fā)現(xiàn)在X=10時(shí)，其所表現(xiàn)出的綜合結(jié)果是最好的。

接著，作者又分別測(cè)試了BSSx(X=0,10,20,50)在不同X值時(shí)，其電流密度(Jsc)與電壓(V)的關(guān)系以及在最佳BSSx:PBDB-T全聚合物太陽(yáng)能電池的EQE譜，發(fā)現(xiàn)BSS10:PBDB-T是最佳的組合。同時(shí)，作者有對(duì)比已報(bào)道的all-PSCs的最大EQE與光學(xué)帶隙能量損失(Eloss=Eg–qVoc)，發(fā)現(xiàn)自己報(bào)道的all-PSCs具有低的帶隙能量損失。更重要的是，他們的制備方法中是不需要使用任何添加劑。并且作者分別計(jì)算出了這些組合的Jsc、Voc、FF、PCE、EQEmax等具體參考指標(biāo)的數(shù)值。

最后，作者分別測(cè)試PBDB-T與不同X值的BSSx(X=0,10,20,50)的組合的相關(guān)性能。通過(guò)BSSx：PBDB-T混合薄膜的2D-GIWAXS圖像以及面內(nèi)（IP）和平面外（OOP）方向的GIWAXS圖形的線切割，發(fā)現(xiàn)PBDB-T:BSS10組合的效果最好。并且，通過(guò)上述的一些測(cè)試，該組合的PCEs等相關(guān)性能都是最好的。

小結(jié)

綜上所述，作者合成了一系列新的n-型半導(dǎo)體無(wú)規(guī)共聚物BSSx(x=10,20,50)，其中，以BSS0為參考對(duì)照組對(duì)各組分進(jìn)行了詳細(xì)的研究。在不使用溶液處理添加劑的情況下，每種BSSx與供體聚合物PBDB-T的共混物可以產(chǎn)生高效率（>9.6％）的all-PSCs。其中，BSS10:PBDB-T的all-PSCs具有高效率（>10％）、近乎100％的內(nèi)部量子效率和小的光學(xué)帶隙能量損失（<0.6eV）。此外，由BSS10和BSS20生產(chǎn)的all-PSCs具有高外部量子效率（>85％）和小Eloss（<0.6eV）。這項(xiàng)研究表明，設(shè)計(jì)合成無(wú)規(guī)共聚物結(jié)構(gòu)是有希望用于優(yōu)化形態(tài)和提高全聚合物PSCs性能的策略。