三元无规共聚策略，为非富勒烯聚合物太阳能电池优化给体材料

有机太阳能电池具有柔性、大面积、可印刷等优点，近几十年来受到各国科研人员的广泛关注。其中常用的电池活性层受体是富勒烯类衍生物，但是由于该类物质在可见光区吸收较差，能级变化较单一，非富勒烯受体材料纷纷问世。目前，基于非富勒烯材料的电池最高光电转换效率已经突破13%，这一成果是非富勒烯聚合物太阳能电池（NF-PSCs）的里程碑。然而，从以往报道的研究成果来看，只有少数种类的聚合物材料被成功应用到NF-PSCs中。目前较为成功的ITIC类受体材料的吸收一般在600 nm至780 nm左右，因此只有开发具有与之相匹配的吸收以及相容性的给体材料才能使得NF-PSCs的性能更上一层楼。

最近韩国蔚山国立科学技术研究所（UNIST）的Changduk Yang研究团队通过用改变主链中噻吩（T）的个数，得到了一系列无规共聚物PTPTI-Tx（如图1a）。当活性层为PTPTI-T70:m-ITIC时，获得了最优的活性层形貌以及face-on的结晶，电池器件的效率高达11.02%。这一研究为NF-PSCs领域开发新型给体聚合物提供了一个新策略。

图1. a）给体PTPTI-Tx和受体m-ITIC化学结构；b）UPS测出的能级示意图；c）PTPTI-Tx :m-ITIC混合层的光学吸收；d）PTPTI-Tx :m-ITIC混合层的PL光谱。图片来源：Adv. Energy Mater.

研究者对给体聚合物PTPTI-Tx 的光学性能、器件性能进行了详细分析。从图1b与1c可以看出，主链结构的微调对光学带隙以及能级有很小的影响。而几种聚合物加入受体m-ITIC中后，荧光光谱出现明显降低，这说明两者之间的电荷传输非常有效（图1d）。

研究者分别用PTPTI-Tx 作为给体材料，制备结构为ITO /PEDOT:PSS /活性层/PDINO/Al的电池器件。器件的电流-电压曲线（图2a）表明，基于PTPTI-T70:m-ITIC的器件具有最高的光电转换效率和短路电流密度（J_SC），这与PTPTI-T70具有最高的光吸收系数是一致的。随着2T单元的增多，器件效率进一步降低，效率的变化与J_SC的变化趋势是一致的。外量子效率（EQE）曲线（图2b）表明，在300 nm到800 nm范围内都有光电流响应。

图2. a）电流-电压曲线；b）外量子效率曲线。图片来源：Adv. Energy Mater.

图3是不同混合薄膜的GIWAX图，我们可以看出PTPTI-T70:m-ITIC体系face-on结晶排列的比例最大（图3a-ii），这有利于电荷的传输。其电子及空穴的迁移率在该体系中也是最大的，这也是该体系效率最高的原因之一。

图3. a）活性层PTPTI-Tx :m-ITIC的GIWAXS图；b）对应的面内和面外的积分曲线；c）100片状的极图；d）face-on的面间距及相关尺寸。图片来源：Adv. Energy Mater.

为了更进一步探究活性层表面以及内部的形貌，作者还进行了原子力显微镜（AFM）和投射电镜（TEM）分析。从图4a中可以看出，PTPTI-T70具有最平滑的表面以及最小的粗糙度，这说明给受体之间具有更好的混溶性。从TEM图（图4b）中可以看到纤维状网状的相分离。这进一步解释了PTPTI-T70:m-ITIC具有最高效率的原因。

图4 a）活性层PTPTI-Tx :m-ITIC的AFM高度图，b）TEM相图，(i) PTPTI-T100:m-ITIC, (ii) PTPTI-T70:m-ITIC, (iii) PTPTIT50:m-ITIC, (iv) PTPTI-T30:m-ITIC。图片来源：Adv. Energy Mater.

总之，作者通过无规共聚不断调节噻吩的数目，可以调节聚合物材料内部结晶的排列，从而改变一系列的光伏性能。这些结果说明无规共聚是调节聚合物形貌的可行方法，通过设计不同聚合物，可以进一步提高NF-PSCs的效率。

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Modulating the Molecular Packing and Nanophase Blending via a Random Terpolymerization Strategy toward 11% Efficiency Nonfullerene Polymer Solar Cells

Adv. Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701125