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  聚合物太陽能電池具有質(zhì)量輕、加工工藝簡(jiǎn)單、可制備柔性半透明器件等突出優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)階段，如何提高器件效率及穩(wěn)定性是該研究領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。通過在給受體活性層中引入第三組分構(gòu)建三元器件以提升效率是一種簡(jiǎn)單可行的策略。第三組分的加入可有效地?cái)U(kuò)寬活性層吸收光譜、調(diào)控共混膜形貌，提高器件能量轉(zhuǎn)換效率；但同時(shí)也有可能形成激子復(fù)合中心或形貌陷阱從而顯著降低器件性能。因此，合理設(shè)計(jì)開發(fā)第三組分是發(fā)展高效三元聚合物太陽能電池的關(guān)鍵。

  最近，蘇州大學(xué)李永舫院士團(tuán)隊(duì)的崔超華副教授等通過合理設(shè)計(jì)第三組分分子構(gòu)建三元器件，有效地提高了聚合物太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率及器件穩(wěn)定性。他們以稠環(huán)單元IDT為中心單元D，雙氟取代的苯基為共軛π橋，氰基乙酸烷基酯為端基A，設(shè)計(jì)合成了A-π-D-π-A型小分子IBC-F（圖1a）。IBC-F與受體分子IE4F-S具有相同的中心單元D，同時(shí)可與主體二元共混膜PBDB-T:IE4F-S形成良好的互補(bǔ)吸收光譜（圖2a）。瞬態(tài)吸收光譜結(jié)果表明IBC-F與PBDB-T間存在FRET能量轉(zhuǎn)移（圖2b）。

圖1.(a) IBC-F, PBDB-T, IE4F-S的結(jié)構(gòu)式。(b) IBC-F合成路線圖

  非常有趣的是，當(dāng)IBC-F作為受體與PBDB-T共混或作為給體與IE4F-S共混時(shí)，電池器件能量轉(zhuǎn)換效率都非常低，分別僅為0.21%和0.045%，但將20%IBC-F引入PBDB-T:IE4F-S卻能夠有效地促進(jìn)共混膜激子分離、抑制雙分子復(fù)合，延長(zhǎng)載流子壽命，以及增強(qiáng)分子間的相互作用以趨向于有利于電荷傳輸?shù)膄ace-on分子堆積方式，從而顯著地將二元器件的填充因子從0.69提高到0.744，能量轉(zhuǎn)換效率也因此從13.70%提升到了15.06%。利用光伏性能非常差的第三組分有效地提高電池器件的能量轉(zhuǎn)換效率在高效三元器件中非常少見。不僅如此，IBC-F的引入還可以有效提高二元器件的熱/光照穩(wěn)定性：器件在手套箱內(nèi)60℃持續(xù)加熱或者光照1000小時(shí)后，二元器件的效率分別降到初始值的71.7%和73.6%，而三元器件仍可維持為81%和85.5%，（圖2c, d）。結(jié)果表明， IBC-F作為第三組分可以有效地提高聚合物太陽能電池的光伏性能及器件穩(wěn)定性。

圖2.(a) IBC-F, PBDB-T和IE4F-S的紫外-可見光吸收譜圖。(b) IBC-F, PBDB-T和IE4F-S的能級(jí)以及PBDB-T:IE4F-S:IBC-F間電荷與能量轉(zhuǎn)移機(jī)制示意圖。二元/三元器件在手套箱內(nèi)(c) 60℃持續(xù)加熱和(d)模擬太陽能持續(xù)照射下能量轉(zhuǎn)化效率隨時(shí)間變化曲線。

  以上成果近日以題為“Ternary Polymer Solar Cells Facilitating Improved Efficiency and Stability”發(fā)表于Advanced Materials (2019, DOI: 10.1002/adma.201904601)。 論文第一作者為蘇州大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)部碩士生董穎瑩，通訊作者為崔超華副教授。

通訊作者介紹：

  崔超華，蘇州大學(xué)副教授：主要從事有機(jī)光伏材料及器件研究。已發(fā)表SCI論文54篇，他引3000多次，5篇論文入選ESI高被引論文。其中作為第一/通訊作者在包括Adv. Mater. (3篇), Energy Environ. Sci. (4篇), Adv. Energy Mater. (3篇)等期刊發(fā)表論文34篇（其中影響因子10以上的15篇），兩篇論文分別入選2014年和2015年“中國(guó)百篇最具影響國(guó)際學(xué)術(shù)論文”。2015年起擔(dān)任Materials Horizons社群委員會(huì)成員(community board member)。獲2018年度江蘇省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)（排名第四）、2017年度教育部高校科學(xué)研究?jī)?yōu)秀成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)（排名第三）。主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、青年基金項(xiàng)目，江蘇省優(yōu)秀青年基金等項(xiàng)目。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.201904601