JMCA热点论文：精细调控结晶性实现效率超过10%的聚噻吩光伏电池- 大数跨境

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JMCA热点论文：精细调控结晶性实现效率超过10%的聚噻吩光伏电池

科学材料站

2022-01-15

导读：本文通过同步辐射掠入射X射线散射和实空间显微镜表征技术，以目前高效的低成本P3HT和ZY-4Cl（一种Y6衍生物）共混物为模型体系

全溶液加工的有机光伏电池（OPV）具有质轻、柔性、半透明、色彩丰富可调、可大面积印刷制备等特点，易实现半透明、可穿戴等，表现出广阔的应用前景。随着新型非富勒烯受体材料的快速发展，有机太阳能电池的能量转换效率逐步提升，最近已达到了可以向实际应用发展的阶段。然而，这些高效率材料复杂的化学结构与繁琐的合成路径导致其生产成本相当高，这极大地制约了OPV的商业化发展。因此，具有简单化学结构和合成路线的低成本聚合物给体和非富勒烯受体应该引起更多的关注。

在众多的共轭聚合物中，聚3-己基噻吩（P3HT）作为一种经典的半导体聚合物，由于其价格低廉、可规模化生产等优势已广泛应用于制造光伏电池、光电探测器、热电器件和晶体管等多种有机电子器件，一直被认为是一种很有前景的商用有机光伏材料。然而，目前基于P3HT的OPV电池的能量转换效率（PCE）太低，无法满足实际应用的要求。同时在过去的20年里，大量的研究集中在基于P3HT和富勒烯衍生物的有机太阳能电池的形态和性能的调节上。与P3HT:富勒烯体系相比，P3HT与新出现的非富勒烯受体共混体系的探索明显较少，其薄膜的结晶和形貌演变的认识仍然是较为匮乏，并且缺乏深入的指导。

鉴于此，在国家自然科学基金委面上项目和天津大学北洋学者英才计划的支持下，天津大学材料科学与工程学院叶龙教授等通过同步辐射掠入射X射线散射和实空间显微镜表征技术，以目前高效的低成本P3HT和ZY-4Cl（一种Y6衍生物）共混物为模型体系，详细监测了该体系在热退火过程中的分子堆积、相分离和光伏性能随时间的演化。他们通过缩短薄膜退火时间，在不使用额外添加剂的前提下使基于P3HT的器件光伏性能成功地突破了10%。

他们发现整个光伏参数（开路电压、电流密度、填充系数、功率转换效率）在退火前1分钟内发生了显著的变化，而在后期变化轻微。这主要是因为该体系中受体会随退火时间的延长快速聚集结晶，而后随着退火聚集成大尺寸团聚体；而给体P3HT退火前后结晶无明显的变化。因而器件共混膜相分离随退火时间延长而逐渐增大，从而使器件效率出现先快速增大后缓慢减小的现象。最终在热退火仅仅30秒后，便取得了10.71%的光电转换效率，这也是目前有机光伏电池基于P3HT的有机光伏电池的最高效率。这明显高于传统常规退火10分钟时的效率（9.37%），约是未退火器件的20倍（0.51%）。在极短时间内就能达到和传统退火10分钟的器件相同甚至更高的效率，这对于器件的商业化加工是非常有意义的。该研究对于聚噻吩-非富勒烯共混物的形貌优化提供了指导。

这一成果近期发表在J. Mater. Chem. A上（论文链接：https://doi.org/10.1039/D1TA10161G），并被选为热点论文。文章的第一作者为天津大学材料科学与工程学院博士生鲜开虎，通讯作者为天津大学叶龙教授。

论文的共同作者包括天津大学耿延候教授、中科院化学所侯剑辉研究员、南京林业大学赵文超教授、中科院长春应化所张吉东研究员、西安交通大学鲁广昊教授等。同步辐射测试得到了上海同步辐射光源和北京同步辐射装置的大力支持。