聚合物受体侧链工程实现形貌最优化的高效稳定全聚合物太阳电池

近年来，体异质结（BHJ）光活性层的给体和受体都由共轭聚合物组成的全聚合物太阳电池（all-PSCs）受到研究人员越来越多的关注。相对于研究广泛的聚合物：富勒烯太阳电池，all-PSCs将表现出诸多关键性的优势，包括较强而宽的光吸收、优异的形貌稳定性和机械耐疲劳性等。过去五年内，all-PSCs的光电转换效率（PCE）从2%增长到了8−10%。效率超过8%的all-PSCs则非常有限，同时也相对落后于更高效率的基于富勒烯和基于新型的小分子非富勒烯受体的太阳电池。主要是因为BHJ聚合物:聚合物共混膜的形貌难以控制，使得all-PSCs难以产生高效的电荷及有效的传输。这种非理想的形貌特别表现在all-PSCs器件的填充因子（FF）较低，总体上超过0.70的FF是比较少见的，也就使得all-PSCs在效率上得到了限制。

近日，华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室曹镛院士团队的段春晖教授、黄飞教授等人报道一种调节all-PSCs共混膜纳米形貌的新策略。作者通过引入线性寡聚乙二醇（OE）侧链用以替换部分萘二酰亚胺（NDI）单元的支化链，开发了一系列基于NDI的聚合物受体。部分引入的OE侧链将会调节聚合物的结晶、改善载流子迁移率以及微调聚合物共混膜的混溶性。通过不同含量的OE侧链NDI单元的引入分别合成NOE0（即商业化受体聚合物N2200）、NOE10、NOE20以及NOE30。作者发现，OE链的引入对聚合物的光学和电化学性能的影响较小，但能改变相应聚合物及其共混膜的表面能和结晶性。相比于NOE0，基于PBDT-TAZ:NOE10的器件获得8.1%的PCE，同时更高的短路电流密度（12.9 mA cm^-2）以及高达0.75的FF。这是目前报道all-PSCs的最高FF之一，显示了实现更高效率的all-PSCs的巨大潜力。作者进行了深入细致的形貌分析，证实基于NOE10的共混膜具有更合适的相分离以及更好的垂直梯度分布，使得其BHJ形貌达到最优化，这是基于NOE10的all-PSCs获得超过8%的高效率的原因。更重要的是，基于NOE10的all-PSCs表现出非常好的长期稳定性和热稳定性，相较于其他高效溶液加工有机太阳电池体系具有更大的优势。总之，这项研究工作提供了一种优化all-PSCs共混膜形貌以及效率的有效策略，同时NOE10也展现了其替代商业化受体聚合物N2200的巨大潜力。相关工作发表在Journal of the American Chemical Society 上。

此项研究得到了来自德国Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg的Christoph J. Brabec教授课题组、荷兰Eindhoven University of Technology的René A. J. Janssen教授课题组以及美国University of California, Santa Barbara的Guillermo C. Bazan教授的协助。同时，GIWAXS和RSoXS的表征得到上海交通大学刘烽课题组的帮助。论文的第一作者为华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室的博士研究生刘熙。研究得到来自中组部、科技部、国家自然科学基金委及国家留学基金委等基金资助。