全聚合物有机太阳能电池（APSCs）具有良好的器件稳定性和机械耐用性，其在柔性可拉伸电子器件中具有良好的应用前景。随着聚合物光伏活性层材料和器件工程的不断发展，APSCs的能量转换效率超过19%；但聚合物分子的链缠结使得全聚合物活性层的形貌调控更加困难，这也是进一步提升全聚合物器件性能亟需解决的关键问题。固体添加剂作为一种新型的形貌调控手段虽已被广泛报道，但如何设计结构简单的固体添加剂用于调控全聚合物活性层形貌并实现高效器件仍然具有挑战性。
针对该问题，南开大学阚斌研究员/陈永胜教授团队、中国科学院重庆绿色智能技术研究院段泰男副研究员、国防科技大学张江彬博士等基于受体材料中广泛使用的苯并噻二唑（BT）缺电子单元，结合引入氟原子增强添加剂和给/受体分子相互作用的思路，开发了两个互为异构的氟代苯并噻二唑小分子，分别为5,6-二氟苯并噻二唑（SF-1）和4,5-二氟苯并噻二唑（SF-2）。SF-1和SF-2均具有较低的熔点，利于其器件制备过程中的快速离去；此外，SF-1和SF-2呈现不同的偶极矩和单晶堆积模式，它们作为固体添加剂加入到PM6:PY-DT体系中，与PM6和PY-DT呈现不同的分子间相互作用并影响活性层薄膜形貌。
结合原子力显微镜-红外测试结果，SF-1或SF-2加入到PM6:PY-DT中可以有效的避免聚合物链的过度聚集；得益于固体添加剂与聚合物材料之间的强相互作用，PM6:PY-DT薄膜在热退火过程中经过“自修复”过程形成了更合理相分离尺寸的连续互穿网络结构。此外，通过薄膜深度依赖的吸收光谱分析发现，经过SF-1和SF-2处理的薄膜形成了更利于正向器件的垂直相分离结构；尤其是经SF-2处理后，形成了给体和受体分别富集在阳极和阴极的垂直相分离，更利于正向器件中电荷的传输和收集。瞬态吸收光谱测试发现固体添加剂SF-1或SF-2的引入可以增长激子扩散距离（超过40 nm），促进有效的激子解离。因此，经过SF-1和SF-2的全聚合物器件性能都得到显著的提升，尤其是短路电流密度和填充因子的大幅提升；值得注意的是，具有不对称结构的SF-2处理PM6:PY-DT二元和三元器件分别获得18.83%和19.02%的效率，证实了该添加剂在调控全聚体系活性层形貌方面的有效性。
在该工作中，阚斌教授团队等报道了两个基于苯并噻二唑的同分异构固体添加剂（SF-1/SF-2），通过“链断裂-链修复”过程实现了全聚合物活性层形貌的有效调控，使得SF-2处理的全聚合物器件实现了超过19%的效率，为高效APSCs的制备提供了重要借鉴和参考。
论文信息
Asymmetrified Benzothiadiazole-Based Solid Additives Enable All-Polymer Solar Cells with Efficiency Over 19 %
Tianqi Chen, Yanyi Zhong, Tainan Duan, Xian Tang, Wenkai Zhao, Jiaying Wang, Guanghao Lu, Guankui Long, Jiangbin Zhang, Kai Han, Xiangjian Wan, Bin Kan, Yongsheng Chen
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202412983
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