南方科技大学郭旭岗教授《EES》：新型绿色溶剂法加工聚合物太阳能电池

聚合物太阳能电池，采用有机聚合物作为光电转换材料的一种太阳能电池。聚合物太阳能电池一般由共轭聚合物给体和富勒烯衍生物受体的共混膜夹在ITO透明正极和金属负极之间所组成。有机聚合物柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本低，对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但其研究还处起始阶段，使用寿命和电池效率都不理想，近年来成为国内外研究热点。绿色溶剂法实现高效全聚合物太阳能电池 (all-PSCs)表现出优异的器件稳定性和机械鲁棒性，引起了人们的广泛关注。然而，大部分的PSCs是用对人类和环境有害的卤化溶剂加工的，更绿色更高效的方法仍有待探索。

来自南方科技大学郭旭岗教授、Sun Huiliang、北京大学深圳孟鸿教授、韩国KAIST大学Bumjoon J. Kim、广州大学的多个研究团队共同合作，找到了高效环保的无卤素溶剂法制备全聚合物太阳能电池。研究成果以“Achieving Highly Efficient All-Polymer Solar Cells by Green-Solvent-Processing under Ambient Atmosphere”为题发表在《Energy & Environmental Science》。

与传统的聚合物供体/小分子受体共混物的器件相比，聚合物供体/聚合物受体共混物组成的全聚合物太阳能电池(all-PSCs)有很多优点，包括优越的器件稳定性和优异的机械鲁棒性。然而，由于高性能聚合物受体的缺乏，all-PSCs的发展相对滞后。现有的大量非富勒烯可用于开发多种聚合物受体，取得了显著的进展，但由于基于熔融环的聚合物分子尺寸较大，大多数都广泛使用氯化溶剂处理。然而，这种卤化溶剂不可避免地会对人类和环境造成危害此外，昂贵的储存和废物处理费用使卤化溶剂不可持续使用。这意味着卤化溶剂不适合大规模生产。因此，开发基于非卤化溶剂的环保型高性能全PSCs工艺至关重要。

研究者们尝试使用过甲苯/邻二甲苯、，2-甲基四氢呋喃和环戊基甲基醚，1,2,4-三甲苯，四氢呋喃，以及一些三甲苯/苯乙酮等混合溶剂，然而，用非卤化溶剂处理的所有PSCs的能量转化效率仍然相对较低。本文研究团队合理选择不同沸点的CS2, 1,2,4-三甲苯和邻二甲苯作为宿主溶剂，深入研究溶剂处理与形貌控制的关系，旨在实现高效环保的全PSCs。

图1 (a)本工作使用的PM6和L14的化学结构及相应的器件结构。(b) CS2, 1,2,4-三甲苯和邻二甲苯绿色溶剂的分子结构。(c)纯膜和(d)共混膜在各种绿色溶剂中的紫外-可见吸 收光谱。

采用上述溶剂法制备PCSs后，作者采用x射线散射(GIWAXS)方法进一步研究了共混薄膜的晶体结构。虽然所有共混物都表现出了面向分子堆叠结构，但其晶体结构的不同取决于加工溶剂的类型。与其他溶剂处理的共混物相比，邻二甲苯处理的共混物的层状和π - π堆积的结晶度增加，可以提高所有PSCs的电荷传输能力。

图2 (a)二维GIWAXS图形和(b)平面内和(c)平面外的全PSC混合薄膜的线切轮廓。

与基于SMAs的太阳能电池相比，All-PSCs的耐湿气和耐氧性通常更好。作者在相同的最佳设备条件下制备了活性层，实现了溶剂诱导的形貌控制和改善。如图3c所示，溶剂处理后器件的稳定功率输出保持在14.4%和15.3%，持续350 s。这些结果表明，经邻二甲苯处理的全PSCs不仅在水/氧制备条件下具有良好的耐受性，而且在最大功率点跟踪下也具有良好的耐受性。

图3 PCSs器件的性能分析。

综上，该研究团队开发了一种高效环保的无卤化溶剂处理的全PCSs系统来替代有害的溶剂，他们选择不同沸点的CS2、1、2、4-三甲苯和邻二甲苯三种绿色溶剂作为主溶剂，控制薄膜干燥动力学。这种绿色溶剂策略优化了PCSs的形态，提高了共混膜的结晶度，形成适度的纤维网络，促进了载流子转移，抑制了非双生复合，有更好的疏水性。该研究突出了绿色溶剂诱导形貌控制策略在制备高性能环保全PCSs方面的可行性，进一步证明了绿色溶剂处理的巨大前景。