【文章導讀】
近日，武漢大學閔傑教授團隊報道以PM6：BTTT -2Cl：PZ1為光吸收活性層，引入半結晶共軛聚合物受體PZ1為摻雜劑，表現出15.1%的光電轉換效率的非富勒烯太陽能電池。
器件的穩定性數據、界面特性以及物理機理在數據分析中顯示這種類三元的摻雜聚合物電池表現出了更高的器件效率、更優秀的熱穩定性（t = 800 h ，150℃），以及更長久的電池壽命，這種摻雜手段在四種體系中都證實了其可行性，在外空間中的應用也有著較為光明的前景 。
【難點與亮點】
難點：目前非富勒烯小分子（NF）體系的溶液處理有機太陽能電池顯示出了良好的發展前景,但由於其在商業化生產中相對較低的環境穩定性（熱、氧氣、光和溼度）制約器件成熟發展。體異質結納米尺寸通常對器件效率起決定性因素，然而對於超過120℃的長時間退火敏感，由熱激活亞穩態轉向熱力學平衡狀態，從而導致較大尺寸的相分離，D-A（給受體）的相面顯著減小導致效率降低。（亞穩態向熱力學穩態發展，屬於成核結晶的過程）
通常對於改善其熱穩定性，有幾種行之有效的方法：（1）適當降低聚合物或小分子的結晶度.即在合成過程中，適量的引入支鏈官能團。（2）.尋找合適的給受體，有些給受體本身不穩定不宜用來長期工作，最好是Π-Π共軛。（3）.在活性層中引入“分子鎖”，其中將活性層溶液與添加劑共混，是簡單而廣泛應用的一種方法，通常的添加劑是鹵化物，以烷較多，添加劑的引入會在活性層表面高溫過程中緊緊的束縛住給體與受體形成的改善活性層表面形貌同時提升光電性能與環境穩定性。
而本文的研究者則引入半結晶共軛聚合物PZ1，作為雙重作用添加劑：（1）.與給受體有機物相同，聚合物受體的引入構成了類三元有機太陽能電池的作用，有著補足吸收光譜700-800nm，增大電流的作用；（2）.抑制給受體在退火時交織互穿網狀結構的分散，維持熱激活亞穩態。
【文章詳情】
圖1.a) 活性層中使用的小分子受體BTTT-2Cl，聚合物給體PM6，作為受體添加劑的PZ1的分子結構。b）純薄膜以及未添加PZ1與添加PZ1的共混物的歸一化UV-vis吸收圖譜，PZ1比起給受體的吸收範圍更寬，提供了700-800nm的吸收峰。c）給受體的能級圖中看出較為匹配，能夠很好的傳輸電子與空穴。d）上端：未摻雜與摻雜了1 wt%的活性層表面AFM掃描圖（5*5μm^2，未摻雜0.813nmRMS粗糙度，摻雜後0.628nmRMS粗糙度），粗糙的明顯下降也從形貌動力學上表明瞭PZ1的成功摻入；下端：在0.13°臨界入射角下獲得的薄膜2D-Giwaxs圖，結晶度有了明顯的改善。
圖2.a）未摻雜PZ1（w/o）與摻雜後（w）的最優製備的器件的光照J-V曲線。b）未摻雜PZ1與摻雜後的EQE（外量子轉化效率）頻譜與積分電流密度。c）未摻雜PZ1與摻雜後的純空穴和電子遷移率。d）分別在110℃與 150℃下，未摻雜PZ1與摻雜後的熱穩定性測試函數圖像，該圖像顯示，在摻雜入PZ1後的器件在800小時的高溫下依舊擁有80-90%的效率而未摻雜的器件在不到200小時後便下降到30-40%，此時的器件已經初步顯現出全聚合物有機太陽能電池的熱穩定性優勢。 e）在150℃下，不同濃度的PZ1摻雜對器件熱穩性測試函數圖像，可以由光電器件的測試圖像比較得出摻入的量大約在1%時效果最佳。
【創新點】
這裡研究者應用熱循環穩定性測試，模擬現實環境以及外空間環境下不同溫度的循環 圖4.a）月球環境模擬熱應力下 b）低地球軌道衛星環境模擬熱應力下 c）火星環境環境模擬熱應力下 d）Eg-eVoc=0.5eV的非富勒烯太陽能電池的理論效率與混合膜的最低Eg值的關係，表明出了在空間站上使用的可能性。
圖5.a）四組光伏體系的給受體分子結構式：PM6:Y6;PTB7-Th:PC70BM;J71:ITIC;BDT-3T-R:PC70BMb）四組對照體系在150℃退火條件下摻雜（未摻雜）的對比柱狀圖。
【全文總結】
在這個工作中，研究人員設計合成了新型小分子受體BTTT-2Cl，與聚合物PM6給體制作光電池，PCE值為13.80%。引入聚合物受體PZ1作為雙功能固體添加劑，使得器件效率提高到15.10%，同時極大的提高了高溫下的熱穩定性。PZ1的摻雜能夠顯著抑制相分離，固定共混物的交互結構；同時在熱循環應力的模擬下也表現出了良好的耐久性，在外空間有很大的發展前景。
【團隊介紹】
閔傑: 研究員，博士生導師；主要從事有機太陽能電池，鈣鈦礦太陽能電池，光探測等方向研究工作。已在Advanced Materials，Advanced Functional Materials，Advanced Energy Materials等雜誌上發表多篇學術論文；課題組網站：http://gdyjy.whu.edu.cn/info/1046/1027.htm
【參考文獻】
Yang,W., Luo, Z., Sun, R. et al. Simultaneous enhanced efficiency andthermal stability in organic solar cells from a polymer acceptoradditive. Nat Commun 11, 1218 (2020).
文章鏈接
https://www.nature.com/articles/s41467-020-14926-5#citeas
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