1
研究背景
全聚合物太阳能电池（all-PSC）的能量转换效率（PCE）被发现显著受到添加剂的影响，这有助于器件性能超过19%的发展。多项报告频繁证实，萘衍生物是最有效的类型之一。另一方面，固态添加剂已成为提升各种共混体系PCE的希望。逻辑上，源自萘的固态添加剂被证实在全聚合物太阳能电池中表现最佳。
尽管功能化萘的固态添加剂被揭示为实现供体-受体双连续纤维网络的关键，但这种形态形成的原因缺乏详细的观察和分析。除了后处理，这里指的是热退火（TA），固态添加剂对薄膜形成过程的影响很少通过合适的方法进行研究。相比之下，活性层沉积的液-固转变过程涉及成核、结晶和聚集，比热退火处理更复杂且占主导地位。因此，需要通过先进技术如原位GIWAXS和GISAXS对这一过程进行更清晰的观察，以揭示形成有利于性能的供体-受体相分布的机制。
2
研究成果
这项研究调查了一系列功能化的萘固态添加剂：2-氯萘（2-CN）、2-甲基萘（2-MN）、2-甲氧基萘（2-oMN）和2-甲硫基萘（2-sMN）。基于这些添加剂，对PM6:PY-IT前体的添加剂浓度进行了全面优化，以筛选器件性能的变化。结果表明，经过适当浓度添加剂处理的器件表现出类似的PCE提升（从小于14%提高到大于17%），这主要归因于显著增强的填充因子（FF）。添加剂处理导致的延迟复合动力学被发现是通过显著提高的电荷迁移率实现的。进一步的外部形态表征显示，这种改善是通过诱导形成纳米纤维网络结构产生的，而无添加剂的薄膜则具有低连续性的相分离结构。有趣的是，在旋涂过程中实时获得的GIWAXS和GISAXS数据得出了一个反常识的结论：结晶过程（成核和聚集）和最终状态的结晶度与电荷行为变化几乎没有关联，而固化薄膜的域长度尺度更为重要。此外，实现纳米纤维结构的前提在此得到确认，即在早期阶段抑制PY-IT（聚合物受体）的聚集行为，从而由PM6预先形成的纤维网络为PY-IT的域生长提供了基础。否则，PY-IT在初期的快速域扩展将导致与PM6的聚集产生不利竞争，阻碍纳米纤维结构的构建。此外，添加剂不足会导致PY-IT聚集未被完全抑制，从而导致不完美的相分布，而过量的添加剂则会引起过度的液-液相分离，再次产生过大的纯域。基于这些理解，该研究进一步通过精心开发的三元共混物在小面积和大面积（1 cm²）器件上探索了器件性能的潜力。获得的19.27%和17.66%的效率是使用绿色溶剂加工的全聚合物太阳能电池中最高的值之一。
3
图文介绍
图1. 活性层材料的分子结构式，光学本征性质，器件性能，和薄膜形貌。
图2. 器件物理表征
图3. 原位GIWAXS
图4. 原位GISAXS
图5. 三元器件性能
4
小结
总之，该研究聚焦于一个知名的全聚合物体系PM6:PY-IT及其经典的形态调控方法，即使用基于萘的添加剂，并通过一系列原位X射线衍射表征揭示其实时薄膜形成机制。研究结果成功发现，添加剂在液-固转变初期会抑制PY-IT的聚集，从而为PM6形成纳米纤维网络提供充足时间。实现的互穿纤维形态同时促进了高效的电荷生成和传输，显著提高了填充因子（FF）。作为提升器件性能的尝试，在此研究了一种三元共混物，其在使用绿色共溶剂加工的小面积和大面积全聚合物太阳能电池中展示了最先进的效率。
作者简介
李刚
香港理工大学电机与电子工程学系 讲席教授，鍾士元爵士可再生能源冠名教授。研究聚焦于可印刷太阳能电池（有机聚合物太阳能电池，钙钛矿太阳能电池）及相关领域。本科毕业于武汉大学空间物理学系，爱荷华州立大学凝聚态物理博士及电机工程硕士。2016年来港前为加州大学洛杉矶分校UCLA研究教授。李刚教授发表科技期刊论文200余篇，被引80000余次，H-因子93（谷歌学术）。他是美国光学学会会士（Optica Fellow）英国皇家化学会会士（RSC Fellow），国际光电工程学会会士（SPIE Fellow）香港研究资助局高级研究学者 (RGC SRFS)。自2014年至今为汤森路透/科睿唯安 全球高被引科学家（材料科学，化学，物理, 交叉领域）。
马睿杰
香港理工大学卓越博士后研究员。2014-2018年于浙江大学取得物理学学士学位（导师：袁辉球教授、刘洋教授），2018-2022年在香港科技大学攻读化学博士学位（导师：颜河教授）。2022年8月加入香港理工大学电机与电子工程系李刚教授团队。主要从事第三代太阳能光伏器件的前沿科研。2018年入选香港政府研究生奖学金计划（HKPFS）。作为第一或通讯作者参与发表期刊论文60余篇， 包括：Joule (2篇)，Nat. Commun（2篇），Adv. Mater (6篇)，Energy. Environ. Sci (5篇)，Angew. Chem. Int. Ed. （3篇），Adv. Energy Mater (8篇)。总引用次数超过7400次，H-因子48。2022、2023年连续入选科睿唯安数据库交叉领域“全球高被引科学家”。2023年入选全球前2%科学家。高起点国产期刊年度优秀青年编委，香港理工大学主办国际期刊首届青年编委。荣获2023年新锐科学家。
了解详情，请阅读原文
[点击下方链接或阅读原文] ▼
https://doi.org/10.1093/nsr/nwae384
