低成本的溶液涂布技术、大面积柔性太阳能板的制造优势，聚合物太阳能电池（PSCs）得到了广泛的关注。在提高半导体器件的功率转换效率（PCE）上，有机半导体材料和器件工程不断创新。特别，近来流行的非富勒烯受体取代了传统的富勒烯衍生物，其PCE显著提升，高出16%。为了进一步提高器件的性能，有必要权衡好开路电压（Voc）和短路电流密度（Jsc）。同时，为了抑制电荷复合和实现高填充系数（FF），对共混形貌的精细控制也不容忽视。这就迫切需要开发与设计非富勒烯受体、匹配的聚合物供体，以及精细的器件。对于高效非富勒烯受体，尤其当它们具有近红外（NIR）吸收和狭窄的带隙（Egs）时，在驱动力和能量损失（Eloss=Egap-eVoc）之间仍然进退两难。高分子供体的开发中，BDT由于具有刚性和平面分子结构，使得其较易实现高效的空穴迁移率，同时其简易的侧链可以实现可调控的带隙和分子能级，因此是一个构筑高效供体高分子的优异单元，在高效PSCs中占据主流。相比BDT，NDT具有延伸的π-共轭有望产生更高的主链共面性和更强的分子间轨道重叠，这将促进π电子沿骨架方向离域，以及诱导更强的共面π-π堆叠，从而提高电荷传递性能。因此，毫无疑问这种属性的NDT单元更有潜力成为供体单元。然而，由于其合成的困难，鲜见报道。
基于此，四川大学彭强教授联合韩国高丽大学Han Young Woo教授以“Subtle Polymer Donor and Molecular Acceptor Design Enable Efficient Polymer Solar Cells with a Very Small Energy Loss”为题在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》报道了一种新型宽带隙（WBG）的大分子供体----PNDT-ST和一种新型吸收近红外（NIR）的小分子Y6-T，并通过相容共混的方法（PNDT-ST0.4:PBDT-ST0.6:Y6-T1.2）制作出了极低能量损失（Eloss=0.521 eV）的高效能（PCE=16.57%）非富勒烯聚合物太阳能电池（NF-PSCs）。
供/受体分子设计与合成如图1所示，对比PBDT-ST，延长的π-共轭和减弱的扭曲使得PNDT-ST具有更高的结晶度和更强的聚集性，从而进一步提高了其吸收性能和电荷传输性能。同样，与Y6相比，Y6-T的轨道能级水平更高，更利于匹配这些高分子的能级，从而提高了电池的开路电压（Voc）和功率转换效率（PCE）。
图1. a）供体和受体分子的化学结构，b）薄膜状态下供体和受体材料的紫外-可见吸收光谱，c）供体和受体材料的能级图。
聚合物太阳能电池的光电性能
为研究光电性能，太阳能电池器件采用玻璃/氧化铟锡（ITO）/PEDOT:PSS/活性层/OTF/Al结构，PBDT-ST和PNDT-ST作为供体材料，配合Y6或Y6-T受体制备活性混合薄膜。当然，PNDT-ST的高结晶度和强聚集性也导致了较大程度的相分离和较差的形貌特征，使得混合活性层的D/A界面对于激子解离而言不足，相对于PBDT-ST，这进一步导致电池的填充系数和PCE降低。为了调节结晶度和优化形貌，PNDT-ST和PBDT-ST与Y6-T一同混合，形成了三元共混装置。如图2所示，提高PNDT-ST含量，三元混合物在更短波长范围展现出更强的吸收，其Jsc和FF也得到提高；此外，器件的Vocs与PNDT-ST含量具有线性相关关系。如预期，通过改变共混比例，优化后的三元共混器件（PNDT-ST0.4:PBDT-ST0.6:Y6-T1.2）的PCE最高可达到16.57%，能量损耗仅（Eloss）仅只有0.521 eV。如此之小的能量损耗值是迄今为止PCE超过16%的聚合物太阳能电池的所能达到的最佳记录。
图2. a）NF-PSCs的J-V曲线和b）EQE曲线，c）Voc的线性拟合曲线，d）已报道的PCEs高于16%的NF-PSCs的PCE散点图。
为了进一步深入理解激子解离、电荷聚集，光电流（Jph，定义为JL-JD，其中JL和JD分别对应着AM 1.5G & 100m Wcm-2照明和黑暗条件下的电流密度）vs有效电压（Veff，定义为V0-V，其中V是施加电压，V0是Jph=0时的电压）的曲线如图3所示，表明三元共混策略显著促进了激子解离和电荷收集；而关于电荷复合的机制，JscVS入射光强的曲线表明接近1的拟合斜率说明双分子的复合遭到抑制，另外，Voc VS入射光强的曲线表明，优化后的三元器件的斜率靠近kTq-1时，表明陷阱辅助电荷复合越少。综合来看，三元共混体系中显著改善的激子解离、电和聚焦和电荷复合贡献了更高的Jsc和FF值，从而提高了最终器件的PCEs。
图3. a）NF-PSCs的J-V曲线和b）EQE曲线，c）Voc的线性拟合曲线，d）已报道的PCEs高于16%的NF-PSCs的PCE散点图。
小 结
该项研究报道不仅为解决Y6-PSCs的低Voc和高Eloss问题提供了设计匹配的聚合物供体和NFAs的指南，也对NF-PSCs中共混物的结构和形态优化给予了深入思考。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201907570
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