王迅昶&刘治田&Thomas Rath &阳仁强Adv. Funct. Mater：成功降低陷阱密度，实现高达17%的PCE

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前言回顾

溶液处理的全聚合物太阳能电池（All-PSCs）是一种很有前景的可再生能源，它具有重量轻、结构可调性、机械灵活性以及稳定性等特点。活性层是All-PSCs的核心，由聚合物供体（D）和聚合物受体（a）的本体异质结（BHJ）组成，其中，D和A不仅应该具有一定的混溶性，且还需要具有合适的结晶度和相纯度，以改善空穴和电子的传输。然而，从明显无序的半结晶聚合物共混物中获得具有单个供体和受体相的双互穿网络是很困难的，因此，这使All-PSCs的形态控制陷入了困境。此外，相对较差的共混形态可能会诱导半导体禁带中的陷阱态和局域电子态充当复合中心，从而降低迁移率，干扰内部场分布，降低器件性能。因此，通过形态控制来抑制活性层中的陷阱密度，提高All-PSCs的PCE还是极具挑战性的。

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文献简介

基于此，江汉大学的王迅昶和阳仁强、武汉工程学院的刘治田以及格拉茨技术大学的Thomas Rath等人在聚合物给体设计中，通过用环己基-己基杂化侧链取代乙基己基，同时获得给体和受体的高混溶性，并在共混膜中有序填充，从而降低陷阱密度。与D18-Cl对应物相比，具有杂环己基己基链的D18-ChCl具有较低的聚集行为，但在与受体PYF-T-o的共混物中，显示出了更高的混溶性和结晶度。这种形态的转变不仅延长了载流子寿命，促进了激子离解，且降低了能量无序。结果表明，基于D18-ChCl的All-PSC器件表现出17.1%的PCE， 2.65×1015 cm−3的低陷阱密度以及47 meV的低能量无序度。同时，基于D18-ChCl的All-PSC在柔性器件中也表现出了优异的稳定性和弯曲耐久性，并保持了84%的初始效率。这均说明，混合环己基-烷基不仅可以提高混溶性，驱动低陷阱密度，且可以提高了器件性能。

图1. (a) 光敏材料的化学结构; (b) 全聚合物太阳能电池中缺陷状态减少机制的示意图; (c) 纯薄膜的紫外-可见吸收光谱; (d) 二碘甲烷（DIM）和水在D18 -Cl、D18-ChCl和PYF-T-o的原始膜上的接触角; (e) 供体和受体的能级

图2. (a) D18-Cl:PYF-T-o和D18-ChCl:PYFT-o薄膜的AFM高度和相位图像; (b) 具有/不具有PYF-T-o的D18-Cl和D18-ChCl膜的2D-GIWAXS图案; (c) 用PYF-T-o研究了D18-Cl和D18-Chcl薄膜沿平面内方向的GISAXS强度分布和最佳拟合; (d) D18-Cl和D18-ChCl共混膜的形态示意图谱

图3. (a) 基于D18-ChCl:PYFT-o的最佳装置的J–V曲线和效率分布直方图; (b) 相关EQE曲线; (c) Jph与有效电压Veff图; (d) Jph和Voc与光强图;基于D18-Cl:PYFT-o和D18-ChCl:PYFt-o的两个优化装置的瞬态光电流(e)以及瞬态光电电压测量(f)

图4. (a)该研究中使用的另外两种聚合物受体的化学结构; (b) 计算不同D/A对之间的相互作用参数; (c) 基于不同D/A对的仅孔器件的J–V特性; (d) 相应最优设备的J–V曲线

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文献总结

总之，该课题组采用了一种简单的策略来降低高性能All-PSCs中的陷阱密度，成功将PCE从12.3%提高到17.1%，并将陷阱密度从4.15×1015减弱到2.65×1015 cm−3。同时，基于D18-ChCl的柔性All-PSCs还实现了14.7%的高PCE，并在1500次弯曲循环后保持了>84%的初始PCE。此外，良好的D/A混溶性和低陷阱密度的共混膜的有序堆积也避免了相重排和性能下降。该研究通过基于D18-Cl的共聚物举例说明了混合环己基-己酯侧链工程的实用性，特别是混溶性和分子堆叠的操作可以扩展到其他类型的聚合物，并可能进一步降低高性能All-PSCs和其他电子应用的陷阱密度。相关研究成果最新发表于国际知名期刊《Advanced Functional Materials》，题为“High Miscibility-Induced Reduction of Trap Density in All-Polymer Solar Cells Using Hybrid Cyclohexyl-Hexyl Side Chains”。

本文关键词：All-PSCs；转换效率；共聚物；陷进密度；形态控制

转自：“有机钙钛矿光电前沿”微信公众号

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