探索超过16％能量转化效率的全聚合物太阳能电池

　　全聚合物太阳能电池（all-PSCs）具有独特优势如良好的稳定性和鲁棒性，因此被认为是一种有前途的光伏技术。由于缺乏有效的聚合物材料，这种类型的光伏电池在功率转换效率（PCE）方面经历了二十年的缓慢发展。近年来，聚合小分子受体的最新进展使其PCE达到了一个新的水平，已经有多个体系的PCE超过10％。迄今为止，性能最好的all-PSCs的PCE范围在15％至16％之间。然而，与基于小分子的太阳能电池相比，all-PSCs仍有很长的路要走。

　　从基于小分子的太阳能电池的研究经验来看，微调形貌从而调节器件性能对于进一步提高良好光伏性能材料的器件效率至关重要。在all-PSC中，微调形貌从而调节器件性能更为困难，因为all-PSC的形成基于两种紧密缠结的材料，这两种材料均由长的共轭链组成。另外要同时提高三个主要器件参数（即开路电压（VOC），短路电流密度（JSC）和填充因子（FF））的效率尤其具有挑战性，因为一种参数增加通常伴随着其他一种或多种参数的下降。但这并不意味着从设备工程的角度无法做到，使用添加剂（溶剂或固体，小分子或聚合物）就是提高太阳能电池的光伏性能的有效策略。在全PSC系统中，传统的溶剂添加剂，如1,8-二碘辛烷（DIO）和1-氯萘（CN），可以有效地提高器件性能。除溶剂添加剂外，在近期的多篇论文报道中，聚合物也被成功地作为添加剂有效地提高了器件性能。

　　图1. 器件的光伏性能

　　在这项工作中，作者采用了已经展示出最先进的光伏性能体系的基于PM6：PY-IT的all-PSC作为目标体系，并精细地修改了全聚合物活性层的形态，在制膜过程中调节溶剂添加剂和固体添加剂，以提高器件性能。具体而言，与PCE为14.93％的参比器件（活性混合物溶液中的1 vol％CN）相比，作者优化了CN的含量并利用少量的N2200作为固体添加剂来制备器件，使器件效率高达16.04％。溶剂和聚合物添加剂的协同作用可同时改善开路电压（VOC），短路电流密度（JSC）和填充系数（FF）的光伏参数。GIWAXS和设备物理研究表明，溶剂和固体添加剂可以有效地改变微晶的形状，使它们生长得“更细”（相对于基板平面），从而在抑制重组的同时增强了电荷的传输，减少了非辐射电压损耗。与控制装置相比，加了固体添加剂的装置的储存稳定性和光稳定性也大大增加。

　　图2. 活性层薄膜的形貌变化

　　该研究结果以“All-polymer Solar Cells with Over 16% Efficiency and Enhanced Stability Enabled by Compatible Solvent and Polymer Additives”为题发表于Aggregate期刊（Aggregate.2021；e58）。

　　论文第一作者为香港科技大学博士马睿杰和瑞典林雪平大学博士生虞坚炜，通讯作者为香港科技大学颜河教授，刘焘博士，山东师范大学唐波教授，林雪平大学高峰教授和深圳技术大学张光烨博士。

　　此外，该工作还得到香港中文大学路新慧教授的表征支持，以及香港理工大学李刚教授，严岑琪博士和俞江升博士在交叉认证时提供的帮助。