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  調(diào)控有機(jī)半導(dǎo)體材料的聚集尺寸以形成均勻的納米尺寸相分離形貌結(jié)構(gòu)，是制備高性能聚合物太陽能電池器件的關(guān)鍵。與富勒烯受體材料不同，目前廣泛使用的稠環(huán)非富勒烯給體材料具有較強(qiáng)的自聚集特性以及與給體材料類似的p-共軛結(jié)構(gòu)，增加了形貌優(yōu)化的難度。并且，目前稠環(huán)非富勒烯體系的形貌調(diào)控方法大都沿用于富勒烯體系，難以滿足稠環(huán)非富勒烯材料的結(jié)構(gòu)特性，極大限制了光伏性能的提升。

  最近，蘇州大學(xué)李永舫院士團(tuán)隊(duì)的崔超華教授等使用蒽作為固體添加劑，發(fā)展了一種簡單有效的形貌調(diào)控新方法。與聚合物給體材料PM6相比，蒽與非富勒烯受體材料Y6的相容性更高，使蒽能夠在PM6:Y6的成膜過程中有效抑制Y6分子的過度自聚集（Figure 2a）；隨后90 ℃熱退火處理，使蒽添加劑從共混膜中揮發(fā)，同時(shí)PM6嵌入Y6聚集區(qū)域，最終形成了較1-氯萘液體添加劑處理的更為均勻的給受體互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（Figure 2b），同時(shí)提升了分子堆積有序性，從而顯著促進(jìn)了激子的分離及傳輸，將光伏器件的能量轉(zhuǎn)換效率從15.60%提升至17.02%（Table 1）。并且，蒽添加劑能夠有效地解決Y6分子在高沸點(diǎn)加工溶劑中的過度聚集問題，克服了器件加工溶劑選擇的局限性：使用氯苯、鄰二甲苯或甲苯加工的基于PM6:Y6的光伏器件都取得了15%以上的能量轉(zhuǎn)換效率，而使用1-氯萘添加劑處理的對比器件的能量轉(zhuǎn)換效率低于11% （Table 1）。此外，該形貌調(diào)控方法還表現(xiàn)出良好的普適性，應(yīng)用于多種非富勒烯共混膜體系都可有效改善形貌、提升光伏性能。尤其是，經(jīng)蒽添加劑處理的基于PTQ10:Y6:PC71BM三元器件的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了17.51%。

Figure 1. (a) Chemical structures of PM6, Y6, and anthracene. (b) TGA plot of anthracene at a scan rate of 5 °C min^?1  under inert atmosphere.

Figure 2. (a) AFM topography images of chloroform-processed PM6 film without or with TA at 90 ℃ for 10 min, Y6 film without or with TA at 90 ℃ for 10 min, PM6:An (1:0.74, w/w) film without or with TA at 90 ℃ for 10 min, and PM6:An (1:0.614, w/w) film without or with TA at 90 ℃ for 10 min. (b) Schematic diagram of the effect of anthracene additive treatment on the morphology of PM6:Y6 blend.

Table 1. Photovoltaic parameters of the PM6:Y6 (1:1.2, w/w)-based PSCs processed by different processing solvents with different additive, under AM 1.5 G illumination at 100 mW cm^-2.

^(a)Thermal annealing at 110 ℃ for 10 min. ^(b)Thermal annealing at 90 ℃ for 10 min. 

  結(jié)果表明，蒽固體添加劑在優(yōu)化共混膜形貌、構(gòu)建高性能有機(jī)光伏器件上具有良好的應(yīng)用潛力。相關(guān)研究成果近日以“Anthracene-Assisted Morphology Optimization in Photoactive Layer for High-Efficiency Polymer Solar Cells”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials (2021，DOI：10.1002/adfm.202103944)。論文的第一作者為蘇州大學(xué)博士研究生范宏宇，通訊作者為蘇州大學(xué)崔超華教授。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和江蘇省自然學(xué)科基金項(xiàng)目的支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202103944