北化张志国团队Adv. Mater：系留小分子受体改善了三元聚合物太阳能电池的分层形态：增强的稳定性和 19%的效率

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前言回顾

聚合物太阳能电池（PSCs）已成为一种潜在的可再生能源技术，由于其灵活性、轻质性和制造业的可扩展性而受到广泛关注。PSCs依靠其活性层的体异质结（BHJ）结构可以有效地将阳光转换为电能。这种结构可以通过适当地将小分子受体（SMA）与聚合物供体混合来最大化和平衡电荷的产生和收集，从而创建含分级纳米结构的高效PSCs，其中，共混物的混合区域和单个共混组分的相对纯的结构域共存于BHJ结构中。虽然分级纳米结构提高了器件效率，但由于当前最先进的SMA的玻璃化转变温度较低（Tg<100°C），可能会出现较差的内在稳定性。这种限制导致分级纳米结构中SMA的快速扩散动力学和显著的热力学弛豫。这个问题也将会导致PSC设备的老化退化。

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文献简介

基于此，北京化工大学软物质科学与工程研究中心的张志国等人介绍了一种新的三元器件，该器件使用DY-P2EH（一种具有共轭侧链的束缚二聚SMA）和BTP-ec9（一种单体SMA）作为主受体，其分别与聚合物供体PM6具有低混溶性和高混溶性。这种独特的组合合成了一种并联的三元BHJ混合物，从而形成了分级和稳定的形态。结果表明，该三元器件实现了80.61%的显著填充因子和19.09%的超高功率转换效率。此外，三元器件表现出非凡的稳定性，即使在85°C下承受1100小时的热应力，仍能保持85%以上的初始效率。这些发现突出了束缚SMA在设计具有精细分级结构的三元器件方面的潜在优势，为实现具有更高效、更耐用的太阳能转换技术铺平了道路。

图1. (a) 溶液和薄膜中单个受体的归一化UV-Vis吸收光谱; (b) PM6:受体共混物的薄膜吸收; (c) 供体和受体的分子轨道能级; (d) PM6纯膜、二元共混物和三元共混物在600nm激发下的光致发光光谱; (e) 原始受体及其混合物的DSC测量; (f) 通过拟合紫外-可见偏差度量（DMT）结果来测量Tg; (g)DY-P2EH膜、(h) BTP-ec9膜和 (i) DY-P2EH:BTP-ec9（0.8:0.4，w/w）共混膜的2D GIWAXS衍射图; (k) BTP-ec9:DY-P2EH共混薄膜的GIWAXS的线切割

图2. (a) 传统的设备架构; (b) AM 1.5G、100 mW cm−2照明下最佳器件的J–V曲线和 (c) 相应的IPCE曲线; (d) 各种二聚体衍生装置的PCE与寿命的关系图

图3. (a) PM6:BTP-ec9、PM6:DY-P2EH和三元共混膜的2D衍射图和(b)线轮廓; (c) 轮廓图像图和(d)PM6:DY-P2EH共混物的峰值强度与时间的关系图; (e) 轮廓图像图和(f)PM6:BTP-ec9混合物的峰值强度与时间的关系图; (g) PM6:DY-P2EH二元膜; (h) PM6:BTP-ec9二元膜和(i) PM6:DY-P2EH:BTP-ec9（1:0.8:0.4,w/w）三元膜的HR-TEM图像

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文献总结

总之，该课题组为了解决基于BHJ的PSC中器件效率和耐久性之间的权衡时，提出了一种新的三元器件设计来改进分级形态。该设计包含两种受体组分：DY-P2EH，一种具有独特热力学性质的系链二聚SMA，其作为主要宿主受体；BTP-ec9，一种单体SMA，作为次要受体。DY-P2EH表现出高Tg值，但由于其与PM6的低混溶性，将导致严重的相分离和混合结构域的过度纯化，最终获得17.09%的PCE。同时，通过引入BTP-ec9后，不仅可以与PM6高度混溶，且有利于改善光吸收和电荷动力学。结果表明，该三元器件在85℃下热应力1100小时后，获得了19.09%的优异PCE，同时保持了85%以上的效率。该策略充分利用了系链的二聚SMA和单体SMA的各自优势，证明了它们在设计具有精细分级形态的三元共混器件时的独特组合，从而同时提高了光伏性能和器件稳定性。除了系链SMA外，这种方法对其他SMA簇（如GMA）也很有前景。该装置设计的广泛应用无疑将加速更高效、更耐用的太阳能转换技术的进步。相关研究成果最新发表于国际知名期刊《Advanced Materials》上，题为“Tethered Small-Molecule Acceptor Refines Hierarchical Morphology in Ternary Polymer Solar Cells: Enhanced Stability and 19% Efficiency”。

本文关键词：束缚小分子受体；分级形态；三元聚合物；太阳能电池；耐用设备；高效

转自：“有机钙钛矿光电前沿”微信公众号

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