聚合物太陽能電池因其成本低、質輕和柔性加工等特性使其具有很好的工業前景。盡管目前聚合物太陽能電池的單節光電轉換效率已經快接近于18%，但是其聚合物材料吸收相對較窄限制了聚合物太陽能電池效率的進一步提高。為了拓寬吸收，三元聚合物太陽能電池的策略被廣泛應用。事實證明引入第三組分能有效拓寬及其增強光譜吸收，減少能量損失，優化活性層形貌并且能提高器件的穩定性。但是對組成活性成的三組分的一般要求為能級匹配，否則共混薄膜易生成陷阱中心，造成載流子的復合，器件的性能降低。
針對這個問題，該課題組前期設計并合成了兩種新型的深HOMO能級的高分子給體材料-- PDBT(E)BTz-p 和 PDBT(E)BTz-d.這兩種深HOMO能級的高分子給體材料被作為第三組分添加到經典高效的二元體系PBDB-T-SF:IT-4F中，當添加5%的PDBT(E) BTz-d時，三元器件的光電轉換效率從12.1% 提高到了13.4%。他們發現第三組分的能級在給體和受體之間，這種情況下第三組分有助于器件性能的提高（J. Mater. Chem. A, 2019,7, 14153-14162）。其他課題組也報道了類似的現象。但是沒有報道過第三組分的HOMO能級低于原二元給受體的HOMO能級的情況下的三元聚合物太陽能電池是否有效。
因此在前期的工作基礎上，該課題組相繼又合成了更低的HOMO能級（-5.7 eV）的聚合物給體材料-- PBT(E)BTz并把其作為第三組分構建三元聚合物太陽能電池。該類分子中的BDT核有利于材料的分子結構相容性，好的多元共混體系的形貌，對電池活性層中的分子聚集，載流子傳輸產生有利影響（Nature Photonics 2015, 9, 190-198)。設計路線如圖1。
圖1. 新型高分子給體材料PBT(E)BTz的設計路線
在PBDB-T-SF:IT-4F體系中，PBT(E)BTz的HOMO能級同時低于二元的給受體的HOMO能級。在這種情況下，當添加適當的量的PBT(E)BTz時（5%），，三元器件的光電轉換效率提高到了13.19%。為了研究這中三元體系的工作機理，他們對二元以及三元共混薄膜進行了瞬態和穩態的熒光表征（如圖2）。經過分析，得益于寬帶隙材料PBT(E)BTz與PBDB-T-SF之間的能量轉移，可以增強對光子能量的利用從而增加了三元器件的短路電流的提高。值得注意的是，添加少量深HOMO能級的PBT(E)BTz使得三元薄膜中的激子解離得到提高，而并沒有造成因能級不匹配而產生的陷阱中心，這也是與現有三元聚合物電池工作機理不同的地方。
圖2. a) 純IT-4F薄膜，PBDB-T-SF:IT-4F二元以及三元共混薄膜（5%, 10% and 20% PBT(E)BTz)光致發光光譜。b)純 PBDB-T-SF 薄膜和 純PBT(E)BTz 薄膜 以及 給體共混PBDB-T-SF:PBT(E)BTz薄膜的光致發光光譜。c) 純 PBDB-T-SF 薄膜和PBDB-T-SF:PBT(E)BTz共混薄膜的時間分辨熒光光譜d) 三元工作機理圖。
為了進一步證實這一發現，他們通過選取合適的二元體系PBDB-T：IT-M進一步拉大與PBT(E)BTz的HOMO能級差。當添加5%的PBT(E)BTz時，他們發現三元器件有同等程度的提高（從10.5%到11.06%）。然后他們選取了另一個高效的二元體系PBDBTF:BTP-4Cl來證實PBT(E)BTz作為第三組分的普適性（如圖3）。實驗發現，當添加少量的PBT(E)BTz（5%）時，三元聚合物太陽能電池的光電轉換效率可以達到16.26%，這也是目前三元聚合物太陽能電池最高效率之一。此外，他們發現少量PBT(E)BTz的添加可以作為一種有效的器件性能“穩定劑”，同時提高二元器件的熱穩定性和光穩定性。該三元體系為同時提高器件的性能和穩定性提供了簡單有效的策略。
圖3. a)二元以及三元器件的J-V 曲線。b) 二元以及三元器件的EQE曲線。c)二元以及三元未封裝器件持續80℃加熱老化的歸一化PCEs。d) 二元以及三元封裝器件持續1 sun的光照下老化的歸一化PCEs。
該工作發表在Advanced Functional Material（DOI:org/10.1002/adfm.201910466）上。第一作者是香港理工大學電子及資訊工程學系博士生張穎，通訊作者為李剛教授，現為港理工鐘士元爵士可再生能源教授。本研究受到香港研究資助局（PolyU 15218517）、深圳市科技創新委員會（JCYJ 20170413154602102）、香港理工大學（1-ZE29）及華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室開放基金的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.201910466
