上海交通大学刘烽教授，nature communication成果：成膜优化助力全聚合物电池效率突破19%并实现广角度光采集

第一作者：曾瑞，朱磊

通讯作者：刘烽

通讯单位：上海交通大学

全聚合物太阳能电池具有优异的稳定性，是极具商业化应用价值的有机光伏体系。然而，由于全聚合物共混薄膜形貌调控困难，其光伏器件效率与聚合物-小分子共混薄膜光伏器件相比较低。此外，太阳能电池在建筑结构集成中的应用，需要更灵活的外形尺寸和更大的太阳光接收角，以保证在白天太阳辐射角变化时更稳定的功率输出。因此，从纳米到微米的尺度上控制全聚合物电池的薄膜形态，以实现光捕获增强、高载流子生成效率和快速载流子传输，对于提高效率和光接收角有着重大意义。

近日，来上海交通大学的刘烽教授，在国际知名期刊nature communication上发表题为“All-polymer organic solar cells with nano-to-micron hierarchical morphology and large light receiving angle”的文章。该文章提出了一套形貌顺序调控策略（DIB/TA/SVA），将全聚合物形貌调节难题进行拆分，根据给受体材料的基本物性与相互作用分步优化活性层薄膜形貌。顺序形貌调控策略的引入，实现纳米尺度纤维结晶形貌优化，促进了激子到载流子的转换。更重要的是，在后处理过程中，高浓度的DIB与活性层薄膜由于模量差异，产生的应力释放导致表面出现岛状陷光结构。纳米纤维供体-受体网络和微米尺度陷光结构的结合使效率达到19.06%(经认证为18.59%)，这是迄今为止全聚合物太阳能电池的最高效率。此外，微米尺寸的表面结构也有助于大的光接收角，相比于常规平面结构器件功率增益提高了30%。

随着Y6类小分子受体的发展，有机光伏的转换效率已经超过19%。最近发展的非富勒烯聚合受体显示出极大的稳定性，使全聚合物太阳能电池更有利于商业应用。然而由于形貌调控的困难，全聚合物电池效率相比于非富勒烯小分子体系仍然较低。聚合物供体和受体混合物的刚性链往往会引起强烈的聚合物结晶和相偏析，导致双连续网络的相纯度降低，不利于载流子的传输。刘烽团队提出了一种顺序优化策略来解决了这个形貌调控难题，获得了效率突破19%的高稳定性全聚合物电池。

刘烽团队以最先进的PM6:PY-IT全聚合物共混物为基础，诱导纳米/微米尺寸的分层形貌。其中，相变固体添加剂1,4-二碘苯(DIB)，热退火和溶剂蒸汽退火(SVA)后处理的协同作用是形貌优化的关键。通过控制溶剂和固体添加剂的去除，可以更有效地控制共轭聚合物的结晶，从而精细调控聚合物的结晶动力学。获得了高结晶度的互联双纤维网络形态，有利于加快激子分离和提升载流子传输。通过GIWAXS等形貌表征手法证明了顺序优化策略下，DIB/TA/SVA器件的在纳米纤维结晶上的优越性，至此，也解决了困扰全聚合物电池形貌调控的难题。

表面光学形貌是硅太阳能电池的一个里程碑，它作为光捕获结构，抑制光损耗，增加光程，现在作为一个常规优化方法出现在硅电池及钙钛矿电池的器件制备中。由于有机光伏活性层薄膜厚度通常只有100 nm，且形貌容易受到外力破坏，因此硅/钙钛矿电池中构建光学形貌的方法难以兼容到有机光伏中，需要开发一种独特的表面形成机制。顺序优化策略通过使用相变添加剂实现了表面光学形貌，该添加剂可以在半干燥的薄膜上结晶和升华。利用DIB在薄膜顶表面的扩散和去除导致张力的差异，使材料之间产生机械不稳定，产生褶皱并且稳定成为表面光学形貌。最终降低了有机光伏器件的光学损失，并实现了更大的光接收角度，相比于常规平面结构器件功率增益提高了30%。

“All-polymer organic solar cells with nano-to-micron hierarchical morphology and large light receiving angle”

刘烽，上海交通大学化学化工学院高分子系研究员。2014年于麻省大学高分子系获得博士学位，同年加入劳伦斯伯克利国家实验室从事博士后研究工作。2016年加入上海交通大学，研究员，博士生导师。

研究领为1)有机光伏电池形貌表征及其结构与性能的关系; 2)含氟功能薄膜构效关系及其燃料电池应用; 3)软X射线碳边散射表征软物质纳米/介观尺度结构。

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