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  有機(jī)太陽能電池和有機(jī)光探測(cè)器由于具有質(zhì)輕、柔性、可溶液加工和光譜易于調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)而展示出良好的商業(yè)應(yīng)用前景。在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，全聚合物太陽電池（all-PSCs）和全聚合物光探測(cè)器（all-PPDs）由于受到高性能聚合物受體的相對(duì)缺乏和活性層形貌難以調(diào)控的限制，器件性能遠(yuǎn)落后于小分子受體體系。因此，發(fā)展合適的聚合物受體和調(diào)控理想的共混形貌是實(shí)現(xiàn)高性能all-PSCs和all-PPDs的關(guān)鍵。

  近日，華南理工大學(xué)發(fā)光材料與器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室段春暉教授課題組聯(lián)合東莞理工學(xué)院趙雁飛博士、南密西西比大學(xué)顧曉丹教授、天津大學(xué)葉龍教授在Chemistry of Materials上發(fā)表最新研究成果“High-Performance All-Polymer Solar Cells and Photodetectors Enabled by a High-Mobility n-Type Polymer and Optimized Bulk-Heterojunction Morphology”。該工作將應(yīng)用于有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（OFETs）的高遷移率n-型聚合物PNDI-DTBT（圖1a）作為聚合物受體引入all-PSCs和all-PPDs中，選用了三種不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的聚合物給體PBDB-T、J51和PCE10（圖1b）與其搭配，通過形貌調(diào)控基于PBDB-T的all-PSCs實(shí)現(xiàn)了8.5%的能量轉(zhuǎn)換效率，all-PPDs實(shí)現(xiàn)了1.32 × 10^-8 A cm^-2的暗電流和4.77 × 10¹² Jones的比探測(cè)率（-0.1 V偏壓下），優(yōu)異的器件性能展示出高遷移率n-型聚合物在有機(jī)光伏和光探測(cè)器領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。

圖1 （a）受體PNDI-DTBT的化學(xué)結(jié)構(gòu)和器件結(jié)構(gòu)；（b）給體PBDB-T、J51、PCE10的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

受體PNDI-DTBT在OFET中的電子遷移率是3.1 cm² V^-1 s^-1，其吸收主要集中在600?800 nm，能與給體形成較好的吸收互補(bǔ)和能級(jí)匹配（圖2），最優(yōu)光伏性能詳見表1，基于PBDB-T的all-PSCs實(shí)現(xiàn)了8.5%的PCE，這主要是得益于給體更深的HOMO能級(jí)和更優(yōu)的共混形貌。

圖2 （a）薄膜吸收；（b）能級(jí)；（c）J-V曲線；（d）EQE圖譜

表1 在AM1.5G光照下獲得的all-PSCs器件參數(shù)

  作者進(jìn)一步對(duì)基于PNDI-DTBT的all-PPDs進(jìn)行了研究，在300 nm的最優(yōu)活性層厚度下，PBDB-T體系由于具有更低的暗電流而獲得了4.77 × 10¹² Jones的高比探測(cè)率，其探測(cè)器性能詳見圖3和表2。

圖3 （a）黑暗下和AM 1.5G下的J-V曲線；-0.1 V偏壓下的（b）EQE圖譜；（c）響應(yīng)度和（d）比探測(cè)率。

表2 300 nm活性層厚度下的all-PPDs性能參數(shù)

  進(jìn)一步，作者對(duì)活性層的共混形貌進(jìn)行了詳細(xì)研究。從TEM（圖4a）中發(fā)現(xiàn)PBDB-T體系具有更大的相分離尺寸和更明顯的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這一結(jié)論從AFM-IR（圖4b）中得到了進(jìn)一步證實(shí)，PBDB-T體系表現(xiàn)出更連續(xù)的相。反觀J51和PCE10，兩者均展現(xiàn)出更小的相尺寸和不連續(xù)的相，這與其較低的Jsc和FF相對(duì)應(yīng)。此外，RSoXS結(jié)果（圖4c）表明PBDB-T具有更高的相純度，有利于抑制電荷復(fù)合實(shí)現(xiàn)更高的FF。作者利用XPS（圖4d）對(duì)垂直相分布進(jìn)行了研究，PBDB-T體系中受體的特征N元素含量隨著刻蝕深度的增大而下降，說明該體系的給體富集在陽極，受體富集在陰極，這不僅有利于光生電荷的傳輸，還能夠抑制電子從陽極注入，空穴從陰極注入，降低負(fù)偏壓下的探測(cè)器暗電流，這與最終的器件性能相一致。

圖4 基于不同給體的共混薄膜（a）TEM圖像；（b）AFM-IR圖像；（c）RSoXS圖譜；（d）XPS圖譜。

  作者進(jìn)一步對(duì)給受體的相容性進(jìn)行了探索。如表3所示，J51和PCE10體系的?δ和χ_DA很小，說明給受體混溶性太好，這與形貌表征結(jié)果相符。而PBDB-T體系具有合適的?δ和χ_DA，實(shí)現(xiàn)了更大尺寸的相分離，更高的相純度和更連續(xù)的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。作者還利用鋪展系數(shù)ΔW表征了活性層材料與PEDOT:PSS基底的相互作用，ΔW的值越負(fù)說明溶液與基底的浸潤(rùn)性越差。與PNDI-DTBT相比，PBDB-T和J51對(duì)PEDOT:PSS基底有更好的浸潤(rùn)性，并且分別與PNDI-DTBT形成了較大的ΔW差值，所以形成了有利的垂直相分布；而PCE10和PNDI-DTBT的ΔW差值較小，形成均一的垂直相分布（與XPS結(jié)果吻合）。

表3 聚合物的溶解度參數(shù)δ，F(xiàn)lory-Huggins相互作用參數(shù)χ_DA和鋪展參數(shù)ΔW

a) κ = V0/(RT)；b-d) 獲得鋪展參數(shù)ΔW所需的單組分聚合物溶液，其配制條件根據(jù)相應(yīng)給受體組合的最優(yōu)器件制備條件而定。

  總的來說，該工作表明OFET領(lǐng)域開發(fā)的高遷移率n-型聚合物是all-PSCs和all-PPDs的潛在受體材料，而實(shí)現(xiàn)高性能all-PSCs和all-PPDs的關(guān)鍵在于選擇具有合適相容性的聚合物給體，調(diào)控出理想的共混薄膜形貌。

  來自東莞理工學(xué)院的訪問學(xué)者趙雁飛博士和華南理工大學(xué)的碩士生劉濤、博士生吳寶奇為該論文的共同第一作者。華南理工大學(xué)材料學(xué)院段春暉教授是該論文的通訊作者。

  文獻(xiàn)鏈接：High-Performance All-Polymer Solar Cells and Photodetectors Enabled by a High-Mobility n-Type Polymer and Optimized Bulk-Heterojunction Morphology (Chem. Mater., 2021, DOI: 10.1021/acs.chemmater.1c00825)

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.1c00825

  下載：High-Performance All-Polymer Solar Cells and Photodetectors Enabled by a High-Mobility n-Type Polymer and Optimized Bulk-Heterojunction Morphology