陈永胜/阚斌 AEM | 低聚物受体实现了高性能和稳健的全聚合物太阳能电池，效率达17.4%

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来源：先进电源


作者信息


第一作者:  Li Zhixiang, Zhang Zhe

通讯作者: 陈永胜/阚斌

通讯单位: 南开大学


     摘      要

开发高效稳定的全聚合物太阳能电池（全PSC）因其对柔性器件的机械鲁棒性而受到越来越多的关注。基于CH系列小分子受体，报道了一种新的聚合物受体（PZC24），当与PM6共混时，其功率转换效率（PCE）为16.82%。为了进一步提高性能，提出并合成了一种与PZC24具有相同主链结构的低聚物受体（CH-D1），作为所有PSC系统的第三组分。该创新策略提高了结晶度和分子堆积，并可以保持所有PSCs二元系统的有效电荷传输通道。因此，基于PM6:PZC24:CH-D1的三元器件表现出17.40%的令人印象深刻的PCE，是所有PSC中最高的值之一。与PM6:PZC24相比，该三元器件同时表现出增强的光浸渍稳定性和热稳定性。此外，低聚物受体的引入并没有削弱所有PSC的机械鲁棒性。因此，三元柔性器件显示出15.35%的优异PCE。重要的是，该策略在PM6:PY-IT和PM6:PY-V-γ中显示出优异的通用性，所有PSCs的PCE都提高了17%以上。研究结果为同时提高所有PSC器件的光伏效率和稳定性提供了一种可行的策略，并预示着所有PSC的光明未来。

研究要点

通过氟代噻吩π桥连接CH系列SMA，设计并合成了一种聚合物受体（名为PZC24）。通过将PZC24与聚合物供体PM6混合，实现了16.82%的良好的PCE。此外，设计了一种 N-π-N 型低聚物受体（CH-D1），它具有与PZC24相同的核心块（N型）和连接单元（π桥），并作为第三种成分加入到PM6：PZC24体系中。基于相同的结构，CH-D1可以被称为与PZC24的 双胞胎 分子。因此，这种三元策略避免了对第三种成分的复杂选择和额外合成。
CH-D1的引入导致了更强的结晶性和更有序的堆积，这得益于其较短的骨架和较少的能量无序性。与相应的二元器件相比，三元器件具有更有效的激子产生率、激子解离、电荷转移和更少的电荷重组。最佳三元器件的最大PCE为17.40%，超过了其他两个相应的基于PZC24和CH-D1的二元系统（分别为16.82%和16.62%），是迄今为止报道的所有PSC中的最高值。此外，三元器件显示出卓越的光浸稳定性和热稳定性。
尽管CH-D1的分子量比PA低，但加入CH-D1后，裂纹起始应变（COS）会略有增加。再加上三元柔性全PSCs提供了15.35%的出色PCE，这表明它们在未来的可穿戴设备中具有巨大潜力。同时，CH-D1也被引入到其他两个典型的全PSC系统中（PM6:PY-IT和PM6:PY-V-γ），它获得了类似的改进，PCE超过17%，显示了这一策略的卓越普遍性。
该工作不仅证明了低聚物受体作为第三种成分在制造高性能全固态电池方面的巨大潜力，而且还提供了一种可行的策略来同时提高全固态电池装置的光电效率和稳定性。

 图文速览

图1. a) PM6、PZC24和CH-D1的分子结构。b) 薄膜中归一化的紫外线-可见光（UV-vis）吸收光谱。

图2. a) OSCs的器件结构。b) 10个器件的PCE分布。c) OSCs的J-V曲线和d) EQE光谱。

表2. 在AM 1.5G下测量的PM6:PZC24、PM6:CH-D1和PM6:PZC24:CH-D1系统的优化的光伏参数

图3. (a) Jph-Veff曲线。(b) 基于PM6:PZC24、PM6:CH-D1和PM6:PZC24:CH-D1的OSCs的瞬时光电流和(c)瞬时光电压测量。(d) 在550nm波长下激发的PM6纯膜和PM6:PZC24、PM6:CH-D1以及PM6:PZC24:CH-D1的混合膜的光致发光（PL）光谱。(e) 电子迁移率（µe）和空穴迁移率（µh）的柱状图。(f）基于PM6:PZC24、PM6:CH-D1和PM6:PZC24:CH-D1的OSCs在吸收开始时的FTPS-EQEs及其Urbach能量（EU）值。

图4. (a) PM6:PZC24, (b) PM6:CH-D1, 和 (c) PM6:PZC24:CH-D1混合薄膜的AFM高度图像。(d) PZC24, (e) CH-D1, 和 (f) PZC24:CH-D1 (1:0.3, w/w) 接受体薄膜的2D-GIWAXS图案。(h)接受体薄膜。(i）根据接触角和供体和受体之间的Flory-Huggins相互作用参数计算的表面张力。

图5. (a）用FOE方法测量的裂纹发生应变（COS）的直方图。(b) 基于PM6:PZC24:CH-D1的柔性电池的J-V曲线。(c) PM6:PY-IT和PM6:PY-V-γ系统的PCE柱状图。

表3. 在AM 1.5G下测量的PM6:PY-IT和PM6:PY-V-γ系统的优化的光伏参数

原文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202300301