共轭聚合物和有机小分子协同作用下的高性能三元体系有机太阳能电池

　　有机太阳能电池具有原材料丰富、可溶液加工、与柔性基底兼容等优点，在清洁可再生能源领域具有非常好的应用前景。近年来，基于D-A共轭聚合物和有机小分子材料作为给体富勒烯的衍生物（PCBM）作为受体的二元体系有机太阳能电池取得了重大的进展。其中采用共轭聚合物作为有机太阳能电池的给体材料来构建活性层存在很多优势，例如：易于成膜、吸光性强等。但是，对于大部部分的聚合物材料，其结晶性能较差，不利于载流子的有效传输。因而在基于聚合物给体材料有机太阳能电池器件中，为了提高器件的性能通常需要引入少量的添加剂（例如1,8二碘辛烷、氯萘等）来调控活性层的结晶性和形貌。相对于聚合物有机小分子的优点如下：具有确定的分子结构、较高的载流子迁移率、合成时不存在批次之间的差异，易于合成和提存、相对于聚合物具有较高的结晶性以及较好的迁移率等。有机小分子材料作为有机太阳能电池给体材料是所存在的问题是较好的结晶性容易导致较大的分相尺度，这对器件的性能影响也较大。为了调控有机小分子材料的分相尺度，南开大学陈永胜课题组通过利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为添加剂来得到相对理想的活性层形貌，进而提升器件的性能。但是这些添加剂通常都为惰性材料，过量的引入会导致其在活性层内形成“陷阱”而阻碍电荷的有效分离和传输。因而，这大大的限制了利用添加剂来实现对有机太阳能电池活性层形貌的可调节范围。相对于通过添加剂的引入来提升二元体系有机太阳能电池的性能，三元体系的提出提供了一个类似的方法。即通过具有不同吸光范围的两种给体材料的引入可实现器件的活性层对太阳光的利用比率的提升，同时可利用小分子给体材料的引入来提升活性层的结晶性，通过聚合物给体材料的引入来降低活性层材料的分相尺度，这为提升器件的短路电流以及突破二元体系中的可能到达的极限能量转化效率提供了可能。 

　　本课题组将聚合物和小分子共混作为活性层的给体材料，PC₇₁BM作为受体材料，通过利用聚合物给体材料与小分子给体材料的协同作用实现了对三元体系活性层的结晶度、分相尺度以及分子排列方式的调控。利用北京同步辐射装置（BSRF）1W1A-漫散射实验站技术获得的掠入射小角度X射线散射（GIWAXS）数据显示（如上右图所示），通过有机小分子给体材料的引入，我们不仅实现了对活性层结晶性能的提升，当引入的有机小分子的质量比达到40%，分子的排列方式明显的从“edge on”转变为“face on”的排列方式。因而器件的短路电流（J_sc）以及填充因子（FF）都得到了有的效提升。最终将三元体系有机太阳能电池能量转化效率的提升至8.4%（如上左图所示），高于二元体系中仅由聚合物为给体材料的太阳能电池（PCE=6.85%）以及仅由有机小分子为给体材料的太阳能电池（PCE=7.48%）。这一能量转化效率的获得，在报导时居于三元体系有机太阳能电池器件性能的前茅，为三元体系有机太阳能电池的进一步设计与构建提供很大的指导意义。

　　发表文章： 

　　Yajie Zhang, Dan Deng, Kun Lu*, Jianqi Zhang, Benzheng Xia，Yifan Zhao, Jin Fang, Zhixiang Wei*, Synergistic Effect of Polymer and Small Molecules for High-Performance Ternary Organic Solar Cells, Advance Materials, 2015, 27, 1071-1076.