10.1%高效率、近乎100%内部量子效率的全聚合物太阳能电池

来源：高分子科学前沿

背景介绍

在过去的五年里，由于非富勒烯接收器（NFAs）的出现及快速的发展，为改善聚合物太阳能电池（PSCs）的性能开辟了新的途径。在基于小分子NFAs的单节和串联电池的功率转换效率（PCEs）已经分别超过15％和17％。尽管最近报道的全聚合物太阳能电池（all-PSCs）在电子接受聚合物和供体聚合物的二元混合物方面取得了类似的进展，但是最好的单节电池也只有8-10％的PCEs，是低于基于小分子NFAs的聚合物太阳能电池。其中，改善all-PSCs性能的主要挑战是如何同时增加短路电流（Jsc）和填充因子（FF），因为这两者都严重依赖于混合形态。虽然现在已经成功探索了一些控制和优化all-PSCs的活性层共混物形态的方法，但是这些方法也需要使用溶液处理的添加剂以实现最佳的共混物形态和高效器件。

成果简介

近日，美国华盛顿大学的Samson A. Jenekhe教授（通讯作者）团队报道了一种在不使用任何溶液处理的添加剂下，新的双苯并噻吩/硒吩-萘二亚胺偶联共聚物受体BSSx(x =10, 20, 50)形成了高性能的all-PSCs。其中，BSS10与给体聚合物PBDB-T的共混物具有10.1%的功率转换效率，97%的内部量子效率和0.59 eV光学带隙能量损失(Eloss)。

本文的亮点：

1、在不使用任何溶液处理的添加剂下，制备出了高性能去聚合物PSCs；

2、该all-PSCs具有10.1%PCEs、近乎100%的内部量子效率和低的光学带隙能量损失；

3、通过控制无规共聚物组成的合成变量，可以合理地优化所有PSCs的共混物形态、电荷载流子迁移率和光伏性质。

研究思路与结果讨论

文中，作者首先分别合成了BSSx(x=0,10, 20, 50 )和PBDB-T聚合物分子，其中它们的分子结构如下图所示。然后分别测试了PBDB-T和BSSx薄膜的光学吸收光谱(x = 0, 10, 20, 50)和供体聚合物和无规则共聚物受体的HOMO/LUMO能级，发现在X=10时，其所表现出的综合结果是最好的。           

接着，作者又分别测试了BSSx (X=0, 10, 20, 50)在不同X值时，其电流密度(Jsc)与电压(V)的关系以及在最佳BSSx: PBDB-T全聚合物太阳能电池的EQE谱，发现BSS10: PBDB-T是最佳的组合。同时，作者有对比已报道的all-PSCs的最大EQE与光学带隙能量损失 (E loss= E g – q V oc)，发现自己报道的all-PSCs具有低的带隙能量损失。更重要的是，他们的制备方法中是不需要使用任何添加剂。并且作者分别计算出了这些组合的Jsc、V oc、FF、PCE、EQE max等具体参考指标的数值。

最后，作者分别测试PBDB-T与不同X值的BSSx(X=0, 10, 20, 50)的组合的相关性能。通过BSSx：PBDB-T混合薄膜的2D-GIWAXS图像以及面内（IP）和平面外（OOP）方向的GIWAXS图形的线切割，发现PBDB-T: BSS10组合的效果最好。并且，通过上述的一些测试，该组合的PCEs等相关性能都是最好的。

小结

综上所述，作者合成了一系列新的n-型半导体无规共聚物BSSx(x= 10, 20, 50)，其中，以BSS0为参考对照组对各组分进行了详细的研究。在不使用溶液处理添加剂的情况下，每种BSSx与供体聚合物PBDB-T的共混物可以产生高效率（> 9.6％）的all-PSCs。其中，BSS10: PBDB-T的all-PSCs具有高效率（> 10％）、近乎100％的内部量子效率和小的光学带隙能量损失（<0.6 eV）。此外，由BSS10和BSS20生产的all-PSCs具有高外部量子效率（> 85％）和小E loss（<0.6 eV）。这项研究表明，设计合成无规共聚物结构是有希望用于优化形态和提高全聚合物PSCs性能的策略。

本文的共同第一作者是Nagesh B.Kolhe, Duyen K. Tran和 Hyunjong Lee，通讯作者是Samson A. Jenekhe。相关工作以“New Random Copolymer Acceptors Enable Additive-Free Processing of 10.1% Efficient AllPolymer Solar Cells with Near Unity Internal Quantum Efficiency”为题目发表在《ACS Energy Letters》上。