北京交通大学张福俊课题组CEJ：LbL结构全聚合物太阳能电池取得15.28%的效率

发表时间：2022-08-04 16:08作者：知研光电材料

导语：研究人员分别以聚合物PM6为给体、聚合物PYF-T-o为受体，制备了一系列基于LbL和BHJ结构的正型和倒置全聚合物太阳能电池（APSCs）。

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1.前言回顾

近年来，全聚合物太阳能电池（APSCs）因其优异的机械耐久性、稳定性以及显著的成膜性能而受到越来越多的关注。基于普遍采用的体异质结（BHJ）构型的APSCs实现了超过16%的功率转换效率（PCE），但这仍然远远落后于聚合物:小分子体系的有机太阳能电池。同时，由于聚合物共混溶液中相邻链之间存在明显的相互缠绕，优化BHJ有源层的垂直相分离变得尤为困难。而通过分别旋涂给体和受体溶液的顺序沉积工艺所制备的准双层有源层则具有良好的垂直结构，这可使给体和受体层中分别形成组织良好的电荷传输通道，从而获得高效的LbL PSCs。同时，通过精心选择给体和受体材料的工作溶剂，可以形成具有足够界面的双层薄膜，以实现有效的激子解离。诸多研究表明，与使用相同材料和溶剂制备的BHJ PSCs相比，LbL PSCs能够表现出更高的PCE，这表明LbL结构在构建高性能的PSCs中具有巨大的潜力。

此外，为了提高有机太阳能电池的稳定性，具有倒置结构的LbL APSCs也被广泛研究。一般而言，正型结构的LbL APSCs的PCE明显优于基于相同材料制备的倒置LbL APSCs。然而，正型和倒置的LbL APSCs之间具有明显性能差异的潜在原因还鲜有报道。

图1. 材料分子结构与基本特性

2.文献简介

基于对上述问题的思考，北京交通大学张福俊教授研究团队分别以聚合物PM6为给体、聚合物PYF-T-o为受体，制备了一系列基于LbL和BHJ结构的正型和倒置全聚合物太阳能电池（APSCs）。通过分层优化策略，正型LbL APSCs最终实现了15.28%的最优PCE，分别高于正型BHJ APSCs、倒置BHJ APSCs和倒置LbL APSCs的14.97%、13.03%和8.54%的PCE。正型LbL APSCs能够取得相对高的PCE主要源于其23.86 mAcm-2的高JSC。在顺序沉积过程中，正型LbL APSCs的有源层中能够形成良好的垂直相分离和更有序的分子排列，使有源层中电荷的提取和传输更高效，这是其实现高JSC的关键所在。同时，PM6的PL光谱与PYF-T-o的吸收光谱之间可以观察到明显的重叠，这说明从PM6到PYF-T-o有可能发生分子间的能量转移。分子间能量转移可为提高正型LbL APSCs中激子利用提供一个额外的途径，从而有助于其进一步实现较高的JSC和PCE。然而，正型LbL APSCs只取得了71.17%的填充因子(FF)，略低于正型BHJ APSCs的72.13%，这可能是由正型LbL APSCs的有源层中可供激子解离的给受体界面有限所致。

图2.不同结构器件的J-V曲线及EQE曲线

值得注意的是，倒置LbL APSCs仅仅实现了14.57 mAcm-2的低JSC和63.69%的低FF，这也使其表现出了相当低的PCE，这主要可归因于ITO电极附近PYF-T-o产生的激子利用不足以及有源层和电极界面之间的电荷收集不足。从EQE光谱中能够观察到，倒置LbL APSCs在660 nm至810 nm波长范围内的EQE光谱出现明显的凹陷，这是由于PYF-T-o收集的光子不能将其能量转移到PM6以产生额外的激子利用。根据比尔-朗伯原理，在倒置LbL APSCs中大多数长波长光产生的激子位于的PYF-T-o层与ITO电极的界面附近。由于激子扩散距离有限，ITO电极附近的激子难以扩散到给受体界面处进行解离，导致了较低的激子解离效率。而在正型LbL APSCs中，PM6层中的光生激子有两种途径产生自由电荷载流子：i)扩散到PM6/PYF-T-o界面，然后解离成自由电荷载流子；ii)将其能量转移到PYF-T-o，然后解离成自由电荷载流子，这也是正型LbL APSCs在短波长范围内产生相对较高的EQE值的原因。

图3.APSCs中电荷载流子动态过程的研究

通过对不同APSCs中的激子解离与电荷提取效率、电化学阻抗以及载流子迁移率的测试，进一步表征了不同器件中电荷载流子的动态过程。在光生电流密度（Jph）-有效电压（Veff）曲线中，正型LbL APSCs的Jph可以在相对低的Veff ≈ 0.3 V处达到饱和状态，表明其有源层中具有更有效的电荷传输。同时，正型与倒置BHJ APSCs的ηdiss均高于相应的LbL APSCs，这应归因于BHJ有源层中具有更丰富的给体:受体界面，使其可以实现更有效的激子解离。而与相应的BHJ APSCs相比，LbL APSCs显示出更高的ηcoll，这是由于在LbL APSCs中给体和受体分别在阳极和阴极附近富集，从而产生了有利于电荷收集的良好的垂直结构。在电化学阻抗测试中，正型LbL APSCs表现出了44.8 Ω的最小电荷转移电阻（RCT），这有利于在相应LbL有源层中进行更有效的电荷传输。而在倒置LbL APSCs中则获得了102.0 Ω的最大RCT值，相当大的电荷转移电阻将使电荷的传输受到阻塞，这可以很好地解释相应倒置LbL APSCs中相对低的JSC和FF。通过空间电荷限制电流（SCLC）法对薄膜电荷迁移率的测试结果显示，相比于PM6:PYF-T-o薄膜和PYF-T-o/PM6薄膜，在PM6/PYF-T-o薄膜中实现了最高的空穴迁移率（μh）和电子迁移率（μe），这表明在正型LbL APSCs的有源层中电荷收集和传输效率更高。然而，PYF-T-o/PM6薄膜则表现了最低的μh和μe，这可能是由相对较大的界面电荷转移电阻导致电荷传输受阻所致。

除此之外，作者通过掠入射广角X射线散射（GIWAXS）对不同薄膜中的分子堆积特性进行了表征。结果表明在PM6/PYF-T-o薄膜中存在着更有序的分子取向和更紧密的分子堆积，进一步证明了正型LbL APSCs的有源层中更有效的电荷传输和电荷提取，很好的支持了其所获得的相对高的载流子迁移率和JSC。

3.文献总结

综上，作者基于聚合物给体PM6和聚合物受体PYF-T-o，构建了一系列具有正型和倒置结构的BHJ APSCs和LbL APSCs。研究显示，正型LbL APSCs实现了高于BHJ APSCs的功率转换效率。同时，从电荷传输、激子利用以及能量转移等角度详细地阐述了不同APSCs中电荷载流子的动态过程。这项工作为LbL和BHJ有源层中的激子和载流子动态过程提供了更多的见解，并证明了正型LbL结构在实现高效的APSCs方面具有巨大的潜力。相关研究成果已最新发表于国际著名期刊《Chemical Engineering Journal》上，题为“15.28% efficiency of conventional layer-by-layer all-polymer solar cells superior to bulk heterojunction or inverted cells”。

本文关键词：全聚合物太阳能电池，倒置结构，能量转移，功率转换效率。

4.材料推荐