非富勒烯受体的存在及发展促使有机太阳能电池的效率突飞猛进，其光电转换效率已经逼近16%。然而全聚合物太阳能电池的效率却较为落后，性能优越的全聚合物太阳能电池的效率只有8%-10%，明显落后于基于小分子非富勒烯受体的有机太阳能电池。主要的挑战来自于如何同时提高开路电压与短路电流，而这两点依赖于共混膜的形貌。许多课题组都曾报道无规共聚物有利于形貌的调节及材料结晶度的提高，但是却同时需要添加剂来进一步提高器件的效率。最近美国华盛顿大学Samson A. Jenekhe教授课题组开发了基于硒酚的无规共聚物受体，在没有添加剂的情况下，可以实现10.1%光电转换效率的全聚合物太阳能电池。
图1.（a）无规共聚物及给体聚合物的化学结构；（b）不同材料的薄膜吸收；（c）各个材料的能级示意图。图片来源：ACS Energy Lett.
作者通过调控主链中两部分的不同比例设计合成了四个联硒吩/硒吩连接的萘二酰亚胺聚合物受体材料BSS10、BSS20与BSS50，并用只含联硒吩基萘二酰亚胺聚合物BSS0作为对照（图1a），而其聚合物给体采用PBDB-T。如图1b是几个材料的薄膜吸收，可以明显看出，给受体形成了非常互补的吸收，这有助于电流的提高。如图1c所示，给受体的HOMO之间与LUMO之间分别有一定差值，这保证了电荷传输。
如图2a是基于不同的聚合物受体的光伏曲线，其中基于BSS20与BSS50的器件性能最优，效率分别达到9.58%与9.69%。而图c表示这个体系不仅具有较低的能量损失而且具有较高的外量子转换效率，在所有低于0.6 eV的能量损失的体系中外量子效率最高。而由d图也可以看出，其最高处的内量子效率接近100%。
图2.（a）基于不同受体的太阳能电池的电流-电压曲线；（b）外量子效率曲线；（c）能量损失与EQE的统计表；（d）内量子效率图。图片来源：ACS Energy Lett.
从图3a可以看出，有效电压足够可以在饱和点时抽取所有的光生载流到达电极。图三b则有效地证明几个聚合物受体与给体可以实现有效的电荷传输，从荧光强度的骤降可以明显看出。图三c表明在几个案例中几乎没有存在双分子复合。从图3d可以看出，BSS0展现出较陡的拟合曲线，表明存在缺陷导致的双分子复合。作为对照，BSS10、BSS20、BSS50器件却具有较小的依赖性。BSS0器件中，开路电压对于光强的依赖与填充因子小是有关的，无规共聚物则展现除了压制的电荷复合，导致填充因子提高明显。
图3.（a）光电流密度-有效电压曲线；（b）荧光曲线；（c/d）不同光强下的电流、电压曲线。图片来源：ACS Energy Lett.
综上，作者合成了一系列的n型聚合物，并调查了内部受体成分变化对于器件性能的影响。在未添加溶剂加工添加剂的情况下，其最高效率可以达到9.6%。通过优化BSS10的成分，同时实现了效率大于10%，接近100%的内量子效率以及非常小的开路电压损失（<0.6 eV）。这些结果表明无规共聚策略在提高全聚合物太阳能电池效率中是一个非常好的策略。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
New Random Copolymer Acceptors Enable Additive-Free Processing of 10.1% Efficient All-Polymer Solar Cells with Near-Unity Internal Quantum Efficiency
ACS Energy Lett., 2019, 4, 1162-1170, DOI: 10.1021/acsenergylett.9b00460
导师介绍
Samson A. Jenekhe
https://www.x-mol.com/university/faculty/1590
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