华南理工叶轩立教授AM: 13.65%, 聚噻吩衍生物有机太阳能电池的新纪录！-草芽圈-科技服务专业网站

过去几年，在非富勒烯受体的不断深入探索与开发的推动下，有机太阳能电池得到了迅猛发展，其光电转换效率（PCE）目前已经突破18%，这展现出有机太阳能电池产业化的巨大前景。除了发展非富勒烯受体，引入与之相互匹配的新型聚合物给体材料，协同作用提升有机太阳能电池PCE也同等重要。目前，高效的聚合物给体材料的设计策略主要基于富电子（D）和缺电子（A）单元交替共聚的D-A型聚合物，但是这类D-A聚合物的结构复杂性引起的合成困难、高成本等问题逐渐引起人们的普遍担忧。

因此，在有机太阳能电池的商业化道路上，实现高PCE的同时，在材料成本、寿命以及环境友好溶剂加工等方面也是我们必须关注并且解决的关键问题。因此，开发结构简单、合成简便的高性能聚合物给体材料迫在眉睫。这其中，聚噻吩衍生物因其合成简便以及高再现性成为大家关注的焦点。比如，最为经典的聚噻吩给体P3HT已经能够实现千克级别的合成，但是受限于P3HT较弱吸收以及较高的HOMO能级，采用P3HT作为给体的有机太阳能电池的表现出较低的短路电流（Jsc）和填充因子（FF），这导致较低的PCE。一方面，将P3HT与强且宽吸收、LUMO较高的非富勒烯受体匹配时，其PCE最高达到约9.5%；另一方面，在聚噻吩骨架中引入氟、氯原子，该聚噻吩衍生物PDCBT表现出更低的HOMO能级，匹配合适的非富勒烯受体能够实现超过12%的能量转换效率，但是大多数都是基于氯苯、邻二氯苯等卤代溶剂加工实现。在未来大规模产业化生产中，实现聚噻吩给体环境友好型溶剂加工显得格外重要。近期，华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室叶轩立教授在国际著名期刊《Adv. Mater.》（IF = 27.398）刊发了他们在有机太阳能电池领域的最新研究成果，他们设计合成出了一种环境友好型溶剂加工、PCE超过13%的聚噻吩给体。

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在该工作中，采用氟代策略，在聚噻吩骨架中引入氟原子，制备出了能级相较P3HT更低的聚噻吩给体P4T2F-HD。研究发现，聚噻吩给体P4T2F-HD与非富勒烯受体Y6-BO具有合适的共混相容性，使用不同的非卤溶剂加工均可以获得具有合适相分离相貌的体相异质结（BHJ）薄膜。进一步优化有机太阳能电池器件的阴极界面层之后，最终获得了13.65%的能量转换效率，这也是迄今为止基于聚噻吩给体的最高效率值。

论文解读

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P3HT、P4T2F-HD和Y6-BO的薄膜以及相应共混薄膜的吸收光谱

与P3HT相比，P4T2F-HD薄膜展现出更强的吸收主峰以及更明显的分子堆积肩峰。Y6-BO在600-900 nm之间展现出宽的吸收峰，表现出与聚噻吩给体互补的吸收光谱。P4T2F-HD:Y6-BO共混薄膜的吸收光谱很好的结合了P4T2F-HD和Y6-BO纯膜的吸收光谱，这表明P4T2F-HD和Y6-BO在共混之后，各自分子堆积得到了很好的保存。P3HT-HD:Y6-BO共混薄膜吸收光谱蓝移，且在约600 nm 处吸收强度明显降低，这表明分子的有序性被破坏，这也是给受体共混薄膜中的常见现象。

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a,b) P3HT、P4T2F-HD和Y6-BO的薄膜以及相应共混薄膜DSC测试曲线；c) J-V曲线；d) EQE曲线

P3HT的熔融温度（Tm）和结晶温度（Tc）分别为221 ℃和187 ℃，在P3HT: Y6-BO共混膜中，仅观察到微小的吸热和放热信号，这表明P3HT和Y6-BO共混之后形成完全混合相，没有产生明显晶相。而对于P4T2F-HD，其Tm和Tc分别为196 ℃和182 ℃，P4T2F-HD:Y6-BO共混膜中，P4T2F-HD结晶明显被抑制，Tm和Tc分别降低至186 ℃和169 ℃，并且吸热和放热信号明显，均可被检测到，这表明P4T2F-HD和Y6-BO具有较低的共混性。这说明，P3HT与Y6-BO完全混合之后无法形成连续的给受体相，因而无法实现高的PCE。基于P3HT:Y6-BO和P4T2F-HD:Y6-BO共混膜制备的有机太阳能电池器件，器件结构为ITO/ZnO/BHJ/MoO3/Ag，P3HT:Y6-BO器件效率较差，仅有0.38%。P4T2F-HD:Y6-BO可以高达11.62%，进一步采用二苯醚（DPE）作为溶剂添加剂，实现12.18%的效率。最后引入C60-SAM作为界面层，有效的提高电荷提取和器件稳定性，最终实现了13.65%的PCE，这也是迄今为止基于聚噻吩给体的有机太阳能电池的最高PCE。

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