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  全聚合物太陽電池（all-PSCs）是以聚合物給體和受體作為活性層的光電轉換能源器件。相較于其他類型的有機太陽電池，all-PSCs在穩定性方面具有明顯的優勢，引起了業內的廣泛關注。高性能聚合化小分子受體（PSMAs）的出現使all-PSCs的光電轉化效率（PCE）得到很大的提升，但基于此類聚合物受體的all-PSCs的外量子效率（EQE）通常低于80%，填充因子（FF）低于0.75，表明對基于此類聚合物受體的all-PSCs，活性層形貌的調控和優化仍然是亟待研究的關鍵問題。

  近日，華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室段春暉教授課題組在Nano Energy上發表了在全聚合物太陽電池活性層形貌調控方面的最新研究成果，論文題為“Layer-by-layer processed binary all-polymer solar cells with efficiency over 16% enabled by finely optimized morphology”。該工作采用逐步沉積（layer-by-layer）的方法，結合溶劑添加劑和熱退火的協同作用，精細調控聚合物給體和受體的形貌，給體材料的結晶相干長度（CCL）顯著提高，受體形成了纖維結構。特別值得指出的是，該工作發現在LbL加工的器件中，上層受體能夠擴散到下層給體的底部，直接與陽極界面相接觸，形成類似于體異質結（BHJ）的結構（圖1），這與以往報道的LbL處理通常形成偽雙層膜或p-i-n/n-i-p結構明顯不同。相似的實驗現象在該課題組的另一個逐步沉積法制備全聚合物有機太陽能電池的工作中也被觀察到（ACS Applied Energy Materials, 2021, 4, 13307–13315）。同時，給/受體形成了有利的垂直梯度分布，有利于激子的解離、電荷的傳輸，減少了缺陷態密度和電荷復合損失。基于上述優點，該all-PSCs實現了16.05%的PCE和創紀錄的FF（0.77），該FF是PSMAs作為受體材料的all-PSCs的最高值。

本文要點：

  1） 逐步沉積法形成了給/受體完全貫穿的類似體異質結活性層形貌

  該工作發現在采用與正置器件（ITO/PEDOT:PSS/PBDB-T/PYT/PFN-Br/Ag）（圖1a）完全相同的給/受體沉積順序時，倒置器件（ITO/ZnO/PBDB-T/PYT/MoO₃/Ag）（圖1b）也可以正常工作，且倒置器件的最優PCE能夠達到正置器件最優PCE的85%（表1和表2），這表明PBDB-T/PYT薄膜形成了類似于體異質結的形貌，PBDB-T與PYT在垂直方向上相互擴散。通過薄膜斷層光譜可知，受體PYT在PBDB-T/PYT底部的含量達到35%，這種在垂直方向上完全相互滲透的給體和受體相的形成與以往報道的LbL處理通常形成偽雙層膜或p-i-n/n-i-p結構明顯不同。

圖1. 正置器件結構（a）和倒置器件結構（b）示意圖。

表1. 正置器件（ITO/PEDOT:PSS/PBDB-T/PYT/PFN-Br/Ag）在不同加工條件下的器件性能參數

表2. 倒置器件（ITO/ZnO/PBDB-T/PYT/MoO₃/Ag）在不同加工條件下的器件性能參數

  2） 聚合物給體 (PBDB-T)有序性的增強與聚合物受體 (PYT)纖維的形成

  通過GIWAXs和AFM測試（圖2）發現，上層添加劑CN能夠擴散進入到下層，促進PBDB-T的結晶，使其相干長度（CCL）變大，層狀有序性增強；高沸點CN能夠延長PYT的結晶時間，使其形成聚合物纖維。

圖2. a)不同加工條件下PBDB-T/PYT薄膜的2D GIWAXs圖。b-d)1D GIWAXs圖。不同加工條件下e)PYT薄膜和f)PBDB-T/PYT薄膜的AFM相圖。

  3） 提高激子分裂效率，降低缺陷態密度，改善電荷傳輸，抑制電荷復合損失

  通過時間分辨光致發光譜（TRPL）、ns-μs瞬態吸收光譜（TAS）、阻抗分析儀和單載流子器件的測試可知，添加劑及熱退火的協同作用在影響活性層形貌的同時對其電學性能也產生了影響（圖3和表3）。

圖3. a) CN+TA處理后的PBDB-T/PYT的FTPS-EQE圖。b) PYT薄膜及不同加工條件下PBDB-T/PYT薄膜的TRPL曲線。c) PBDB-T、PYT和不同加工條件下PBDB-T/PYT薄膜的PIA圖。d) 不同加工條件下PBDB-T/PYT薄膜的TAS圖譜。e) 不同加工條件下PBDB-T/PYT薄膜的DOS圖。f) 不同加工條件下PBDB-T/PYT薄膜的電子和空穴遷移率統計圖。

表3. 不同加工條件下PBDB-T/PYT薄膜的物理參數

  這項工作為精細調控all-PSCs中聚合物給體和受體的微結構提供了一種有效策略。結合LbL方法在控制垂直組分分布和相分離方面的內在優勢，這些發現會進一步提高all-PSCs的器件性能。

  論文第一作者為華南理工大學材料科學與工程學院的博士生張月和吳寶奇，論文通訊作者為華南理工大學材料科學與工程學院的段春暉教授。該工作得到了德國埃爾朗根大學Christoph J. Brabec教授與李寧博士團隊、埃因霍溫理工大學李俊宇研究員、華南理工大學吳宏濱教授團隊、西安交通大學魯廣昊教授團隊的支持。

  文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106858