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  有機(jī)太陽(yáng)能電池因其輕質(zhì)柔性、可采用低成本涂布技術(shù)實(shí)現(xiàn)大面積生產(chǎn)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。近年來(lái)，通過開發(fā)新型光活性層材料以及對(duì)其聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的有效調(diào)控，有機(jī)太陽(yáng)能電池的光伏效率取得了不斷突破。然而，日漸成熟的分子設(shè)計(jì)策略使得光伏材料的分子結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，使其面臨成本過高和難以大批量制備等難題，成為制約有機(jī)光伏技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素。

  經(jīng)典的導(dǎo)電聚合物聚（3-己基噻吩）（P3HT）已實(shí)現(xiàn)了低成本批量生產(chǎn)，是實(shí)現(xiàn)有機(jī)太陽(yáng)能電池應(yīng)用最具潛力的聚合物給體之一，近年來(lái)非富勒烯受體（NFA）的大量涌現(xiàn)也為有效提高其光伏效率提供了可能性，然而，由于大部分NFA與P3HT之間的相容性過強(qiáng)而致使二者在活性層中無(wú)法形成可以高效傳輸載流子的連續(xù)通道，基于P3HT:NFA的有機(jī)太陽(yáng)能電池的光伏效率仍然較低，無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。因此，通過材料設(shè)計(jì)或形貌優(yōu)化手段調(diào)節(jié)P3HT與NFA之間的相容性是提高基于P3HT有機(jī)太陽(yáng)能電池光伏性能的關(guān)鍵。

  近日，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所侯劍輝研究員和北京科技大學(xué)張少青副教授等人在先前報(bào)導(dǎo)過的P3HT:ZY-4Cl體系（Energy Environ. Sci., 2020, 13, 2864.）中，采用可揮發(fā)性固體添加劑，SA4，誘導(dǎo)活性層分子堆積更加有序，實(shí)現(xiàn)了基于P3HT的有機(jī)太陽(yáng)能電池光伏效率10%的突破。差示掃描量熱（DSC）和原子力顯微鏡（AFM）測(cè)試結(jié)果表明SA4主要與受體ZY-4Cl相互作用，對(duì)其聚集態(tài)結(jié)構(gòu)有明顯的影響。與傳統(tǒng)的液體添加劑1,8-二碘代辛烷（DIO）相比，SA4與DIO對(duì)ZY-4Cl的光學(xué)和結(jié)晶特性具有相似的作用，但對(duì)活性層微觀形貌的影響卻大有不同。研究結(jié)果表明，可揮發(fā)性固體添加劑SA4的引入使得活性層分子堆積更加有序，可形成更加有利的相分離形貌，從而促進(jìn)電荷傳輸并抑制載流子復(fù)合，獲得更高的短路電流和填充因子。另外，SA4的引入還可以減少器件的能量損失，有利于開路電壓的提升。因此，固體添加劑SA4的使用使得P3HT:ZY-4Cl器件的三項(xiàng)光伏參數(shù)均有所提升，最終實(shí)現(xiàn)了10.24%的記錄效率，展現(xiàn)了基于P3HT的有機(jī)太陽(yáng)能電池良好的發(fā)展前景。

圖1 基于P3HT的有機(jī)太陽(yáng)能電池的光伏效率超過10%。

  該研究結(jié)果近期發(fā)表在ChemSusChem。論文的第一作者為北京科技大學(xué)博士研究生楊晨熠，通訊作者為侯劍輝研究員和張少青副教授。

  Citation: Chenyi Yang, Runnan Yu, Chenyu Liu, Hao Li, Shaoqing Zhang, Jianhui Hou. Achieving over 10% Efficiency in Poly(3-hexylthiophene)-based Organic Solar Cells via Solid Additives. ChemSusChem, 2021, 14, DOI: 10.1002/cssc.202100627.

  論文鏈接： https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cssc.202100627