近日，能源环境科学（Energy & Environmental Science）在线发表了我组关于高效且膜厚不敏感性聚合物太阳能电池开发的最新成果。该工作通过引入设计合成的高迁移率小分子给体SD62作为第三组分，通过改善分子取向和聚集，抑制载流子重组和增加电荷迁移率，提高了聚合物太阳能电池在厚膜条件下的光伏性能，抑制了从小面积器件到大面积组件过程中的效率滞后。论文题目为“Designing Dithieno-benzodithiophene-based Small Molecule Donor for Thickness-Tolerant and Large-Scale Polymer Solar Cells”（利用二噻吩并苯并二噻吩小分子给体实现膜厚耐受性强的聚合物太阳能电池和高效大面积组件）。武汉大学高等研究院为第一署名单位，我组硕士研究生王珊珊和博士研究生徐林勇为论文共同第一作者，闵杰教授和孙瑞副研究员为论文通讯作者。
近年来，聚合物太阳能电池（PSCs）因其独特的性能，如重量轻、成本效益高、半透明、柔性以及卷对卷工艺在大规模制造中的潜在适用性，引起了人们的极大关注。其中，单结PSCs的功率转换效率（PCE）已超过19%。为了使PSCs更符合商业化的要求，已经实施了各种策略，包括设计新的活性层和界面材料以实现显著的PCE和稳定性，以及通过新的加工方法进行大面积的制造。值得注意的是，因为填充因子（FF）通常会随着厚度的增加而减小，所以大多数PSCs的活性层厚度约为100nm时，可以获得最佳PCE。然而，由于加工方法和操作环境等影响的因素，精确调整活性层厚度仍旧具有挑战性，从而导致在放大制备的过程中厚度分布不理想。因此，开发具有不受厚度影响的活性层对于确保大规模PSCs的宽加工窗口和高PCE至关重要。
基于此，我组团队成员实施了一种将设计合成的小分子给体（SMD）SD62引入高性能PSCs的方法。他们通过将SD62作为第三组分添加到PM6:L8-BO二元体系中，成功构建了厚度不敏感的三元器件。得益于增强的物理动力学和适当的相分离，活性层厚度在100 nm至400 nm范围内的三元器件能够获得超过17.1%的高PCE。令人惊喜的是，395±17 nm厚的三元器件的FF值达到70.42%，显著超过377±23 nm厚的二元器件的FF（58.59%）。并且该题组为了进一步证实三元活性层在放大器件制造中的优势，还制造了二元和三元系统的大规模太阳能模块。此外，这种SD62掺杂策略也显示出很大的通用性，这在其他三个二元系统中也得到了证实，包括PM6:Y6、PM6:BTP-eC9和D18:L8-BO。该工作为PSCs的商业应用提供了一种很有前途的SMD掺杂策略。
图1. (a) SD62的合成路线; (b) SD62的CV曲线与对应活性层材料的能级; (c) SD62在氯仿溶液和薄膜中的紫外-可见（UV-vis）吸收光谱; (d) SD62薄膜的2D-GIWAXS图及其平面内（IP）和平面外（OOP）一维曲线。
图2. (a-d) 基于不同层厚度的二元和三元共混膜的GIWAXS的2D图; (e) 相应薄膜的1D-GIWAXS曲线 (f) 对应共混膜的CCL值; (g) 从FLAS测量中提取的受体吸收随深度变化的数据。
总之，该方法为提高厚膜有机光伏系统的光伏性能和加工可行性提出了一种通用的策略。通过结合不同厚度的PM6:L8-BO二元及其相应的三元体系PM6:SD62:L8-BO的形态特征和物理动力学发现，SD62掺杂策略可以改善分子取向和聚集，抑制载流子复合，增加电荷迁移率，促进电荷传输和提取，从而增强PSCs器件中对变化厚度的容限。值得注意的是，395±17 nm厚的PM6:SD62:L8-BO外部器件的PCE为17.14%，这是有记录以来厚膜PSCs的最高值之一。此外，由于其改进的厚度耐受性，这种SD62掺杂策略可以成功地抑制PM6:L8-BO体系在大面积组件中的效率滞后。结果表明，SD62掺杂策略有利于大规模的PSCs制造。
该研究得到了国家自然科学基金委和中央高校基本科研业务费的支持。
原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ee/d3ee04300b
