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  四川大學(xué)彭強(qiáng)教授課題組創(chuàng)新性地將有機(jī)金屬鉑絡(luò)合運(yùn)用于非富勒烯有機(jī)太陽(yáng)能電池活性層形貌優(yōu)化之中，成功將其光電轉(zhuǎn)換效率從13.03%顯著提升至16.35%，成為迄今文獻(xiàn)報(bào)道的非富勒烯有機(jī)太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率的最高紀(jì)錄。他們?cè)诰哂袕?qiáng)聚集性質(zhì)的多氮雜環(huán)聚合物PSFTZ中引入鉑絡(luò)合，通過(guò)絡(luò)合之后苯環(huán)取代基的位阻效應(yīng)抑制聚合物的聚集。通過(guò)絡(luò)合度的控制達(dá)到調(diào)控結(jié)晶性、優(yōu)化活性層形貌的目的，從而顯著提升了非富勒烯有及太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。該研究為有機(jī)太陽(yáng)能電池活性層的形貌調(diào)控開(kāi)辟了新的思路。該工作于近期發(fā)表在Advanced Materials上（Adv. Mater. 2019, 1901872）。

  得益于有機(jī)半導(dǎo)體材料的不斷開(kāi)發(fā)和器件工藝的日益精進(jìn)，近年來(lái)有機(jī)太陽(yáng)能電池飛速發(fā)展。在器件工藝上，主要是對(duì)器件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、界面的修飾以及活性層形貌調(diào)控。其中，活性層形貌調(diào)控又是器件工藝研究的重中之重。活性層形貌直接關(guān)系到激子能否順利擴(kuò)散、有效解離和傳輸，最終影響整個(gè)器件效率。在形貌優(yōu)化上，人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了很多行之有效的策略。其中，對(duì)于一些具有強(qiáng)聚集性的聚合物材料的形貌調(diào)控，目前廣泛采用的是熱旋涂工藝來(lái)控制其結(jié)晶性。然而，熱旋涂工藝實(shí)際上只能服務(wù)于實(shí)驗(yàn)室小批量制備和研究，不利于未來(lái)的工業(yè)化生產(chǎn)。開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便易行的控制強(qiáng)聚合物聚集能力的手段對(duì)于這類(lèi)材料的光伏應(yīng)用十分必要。

Figure 1. (a) Normalized UV-vis absorption spectra of the polymer donors and Y6 acceptor in film state. (b) UV-vis absorption spectra of the polymer:Y6 blend films. (c) CV curves of the polymer donors. (d) Energy level diagram of the polymer donors and Y6 acceptor.

  絡(luò)合度對(duì)聚合物PSFTZ光譜和能級(jí)的影響如圖1所示。隨著絡(luò)合度的增加，吸收光譜的0-0/0-1的比值逐漸降低，表明絡(luò)合度增加后，聚合物的聚集性有所降低。同時(shí)，絡(luò)合度的增加在一定程度上降低了聚合物的能級(jí)。能級(jí)的降低有利于器件獲得更高的開(kāi)路電壓。

Figure 2. (a) J-V curves of the NF-PSCs. (b) EQE curves of the NF-PSCs. (c) The DEQE of Pt10 devices with respect to Pt0 devices. (d) The absorption difference of Pt10:Y6 blend film with respect to Pt0:Y6 blend film.

  通過(guò)制備器件結(jié)構(gòu)為ITO/PEDOT:PSS/active layer/OTF/Al的太陽(yáng)能電池研究了絡(luò)合度對(duì)光伏性能的影響。如圖2所示，對(duì)比器件（無(wú)絡(luò)合）受限于其較低的電流和填充因子，最好器件效率只有13.03%；絡(luò)合后器件性能顯著提升，當(dāng)絡(luò)合度為10%的時(shí)候，獲得了最好器件效率為16.35%。通過(guò)外量子效率測(cè)試表明，絡(luò)合顯著提升了器件在整個(gè)吸收區(qū)間的光譜響應(yīng)。

Figure 3. (a) 2D-GIWXAS patterns of the polymers. (b) The in-plane and out-of-plane line-cut profiles.

  絡(luò)合度對(duì)聚合物結(jié)晶性的調(diào)節(jié)通過(guò)廣角掠入射X-射線衍射（GIWAXS）來(lái)研究（圖3）。原始聚合物具有較強(qiáng)的（100）、（200）、（300）和（010）衍射，證明其結(jié)晶性較高，隨著絡(luò)合度的增加聚合物的結(jié)晶性逐漸降低。這一結(jié)晶性的變化能夠有效改變其相分離情況。如圖4所示，初始聚合物活性層形成了較大尺寸的相分離，不利于激子分離與電荷傳輸，通過(guò)絡(luò)合度的增加，相分離逐漸減小，形成纖維狀相分離。其中10%絡(luò)合度的活性層獲得了最為為理想的相分離形貌，抑制了激子復(fù)合，因而顯著提升了器件效率。

Figure 4. AFM height images (a-d) and phase images (e-h) of the polymer:Y6 blends.

  本工作中，巧妙地將鉑絡(luò)合作用于具有較強(qiáng)結(jié)晶性的多氮雜環(huán)聚合物PSFTZ上，通過(guò)位阻作用和絡(luò)合度的改變，調(diào)節(jié)了聚合物的結(jié)晶性質(zhì)，從而優(yōu)化了相分離形貌。與傳統(tǒng)添加劑不同，該策略可在制備活性層之前制備好目標(biāo)絡(luò)合度的聚合物，具有較高的可重復(fù)性和器件穩(wěn)定性，該方法為有機(jī)太陽(yáng)能電池活性層形貌優(yōu)化開(kāi)辟了新的思路。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201901872