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  調(diào)控有機半導(dǎo)體材料的聚集尺寸以形成均勻的納米尺寸相分離形貌結(jié)構(gòu)，是制備高性能聚合物太陽能電池器件的關(guān)鍵。與富勒烯受體材料不同，目前廣泛使用的稠環(huán)非富勒烯給體材料具有較強的自聚集特性以及與給體材料類似的p-共軛結(jié)構(gòu)，增加了形貌優(yōu)化的難度。并且，目前稠環(huán)非富勒烯體系的形貌調(diào)控方法大都沿用于富勒烯體系，難以滿足稠環(huán)非富勒烯材料的結(jié)構(gòu)特性，極大限制了光伏性能的提升。

  最近，蘇州大學李永舫院士團隊的崔超華教授等使用蒽作為固體添加劑，發(fā)展了一種簡單有效的形貌調(diào)控新方法。與聚合物給體材料PM6相比，蒽與非富勒烯受體材料Y6的相容性更高，使蒽能夠在PM6:Y6的成膜過程中有效抑制Y6分子的過度自聚集（Figure 2a）；隨后90 ℃熱退火處理，使蒽添加劑從共混膜中揮發(fā)，同時PM6嵌入Y6聚集區(qū)域，最終形成了較1-氯萘液體添加劑處理的更為均勻的給受體互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（Figure 2b），同時提升了分子堆積有序性，從而顯著促進了激子的分離及傳輸，將光伏器件的能量轉(zhuǎn)換效率從15.60%提升至17.02%（Table 1）。并且，蒽添加劑能夠有效地解決Y6分子在高沸點加工溶劑中的過度聚集問題，克服了器件加工溶劑選擇的局限性：使用氯苯、鄰二甲苯或甲苯加工的基于PM6:Y6的光伏器件都取得了15%以上的能量轉(zhuǎn)換效率，而使用1-氯萘添加劑處理的對比器件的能量轉(zhuǎn)換效率低于11% （Table 1）。此外，該形貌調(diào)控方法還表現(xiàn)出良好的普適性，應(yīng)用于多種非富勒烯共混膜體系都可有效改善形貌、提升光伏性能。尤其是，經(jīng)蒽添加劑處理的基于PTQ10:Y6:PC71BM三元器件的能量轉(zhuǎn)換效率達到了17.51%。

Figure 1. (a) Chemical structures of PM6, Y6, and anthracene. (b) TGA plot of anthracene at a scan rate of 5 °C min^?1  under inert atmosphere.

Figure 2. (a) AFM topography images of chloroform-processed PM6 film without or with TA at 90 ℃ for 10 min, Y6 film without or with TA at 90 ℃ for 10 min, PM6:An (1:0.74, w/w) film without or with TA at 90 ℃ for 10 min, and PM6:An (1:0.614, w/w) film without or with TA at 90 ℃ for 10 min. (b) Schematic diagram of the effect of anthracene additive treatment on the morphology of PM6:Y6 blend.

Table 1. Photovoltaic parameters of the PM6:Y6 (1:1.2, w/w)-based PSCs processed by different processing solvents with different additive, under AM 1.5 G illumination at 100 mW cm^-2.

^(a)Thermal annealing at 110 ℃ for 10 min. ^(b)Thermal annealing at 90 ℃ for 10 min. 

  結(jié)果表明，蒽固體添加劑在優(yōu)化共混膜形貌、構(gòu)建高性能有機光伏器件上具有良好的應(yīng)用潛力。相關(guān)研究成果近日以“Anthracene-Assisted Morphology Optimization in Photoactive Layer for High-Efficiency Polymer Solar Cells”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials (2021，DOI：10.1002/adfm.202103944)。論文的第一作者為蘇州大學博士研究生范宏宇，通訊作者為蘇州大學崔超華教授。該研究工作得到了國家自然科學基金項目和江蘇省自然學科基金項目的支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202103944