武汉大学闵杰课题组实现良好户外稳定性的高性能全聚合物太阳能电池

　　近日，Energy & Environmental Science以研究性论文(Research Article)的形式在线发表武汉大学高等研究院教授闵杰课题组在高性能全聚合物有机太阳能电池方面取得的新进展。论文题为“19.46%-Efficiency All-Polymer Organic Solar Cells with Excellent Outdoor Operational Stability Enabled by Active Layer Reconstruction”(《活性层重构实现具有19.46%效率和良好户外稳定性的全聚合物有机太阳能电池》)。高等研究院2024级硕士研究生吴小黑和2022级硕士研究生肖博为论文共同第一作者，孙瑞副研究员和闵杰为论文通讯作者，高等研究院为第一署名单位/第一通讯单位。
 

　　有机光伏(OPV)作为一种高效清洁能源器件，具有成本低、重量轻、溶液可加工性、半透明等独特优势，在建筑集成光伏和柔性可穿戴器件等领域具有巨大应用潜力。多组分策略是有机太阳能电池常用的实现高性能的策略之一，通过不同材料之间互补吸收和形貌改善，通常可以达到更优异的器件性能。但多组分系统的相分布和相分离尺寸需要得到有效的调控和优化，以实现更有利的载流子动力学行为和薄膜形貌稳定性。闵杰课题组率先发展了一种逐层涂覆(Layer-by-Layer，LbL)工艺以实现良好的准平面结构的活性层，并首次将其与刮涂工艺相结合，证明了LbL工艺作为一种通用的有机光伏活性层制备工艺，不仅可以实现小面积多组分器件的效率-稳定性协同优化(Joule, 2021, 5, 1548-1565；Adv Mater, 2022, 35, 2209350；Joule, 2023, 7, 221-237；)，还可以克服大面积模组的“尺度滞后”效应(Joule, 2020, 4, 407-419)，并且可以实现活性层的高速、可扩展、低成本印刷(Nature Energy, 2022, 7, 1087-1099)，这些研究凸显了LbL刮涂工艺在调控活性层组分分布和对接工业化生产场景方面的巨大优势。
 

该研究的器件制备工艺、给受体组分相分布和器件J-V参数，以及户外运行稳定性
 

　　基于此，该课题组提出了双层刮涂制备四元全聚合物器件的策略。选用两个带隙相近但聚集特性不同的二元全聚合物体系，依次刮刀涂布结晶性更强的D18-Cl:PY-Cl亚层和结晶性稍弱的PM6:PY-SSe亚层得到具有类似双层结构的四元全聚合物活性层，既利用了材料的互补吸收带来的短路电流增益，同时又合理控制了聚合物给受体材料的混溶尺度和相分布，从而实现了能量无序和载流子复合的抑制，最终在标准测试条件下取得了19.46%的能量转换效率，该效率为全聚合物体系的最高效率。在武汉大学校园内户外工况条件下(根据ISOS-O2标准)对器件的稳定性进行监测，研究结果表明，逐层刮涂的器件相比四元共混刮涂制备的器件具有显著改善的器件户外稳定性，这与在实验室环境中测得的热稳定性和最大功率输出点追踪-运行稳定性结果一致。这项研究通过多种形貌表征、器件物理表征和稳定性测试分析，关联了聚合物材料聚集特征和器件的光电性能、稳定性，提出了一种协同改善全聚合物多组分太阳能电池效率和稳定性的活性层制备思路。
 

　　该研究得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的资助并获得江汉大学肖标副教授、德国埃尔朗根-纽伦堡大学Christoph J. Brabec教授、俄罗斯科学院Yuriy Luponosov教授、武汉大学张莹博士等合作者在性能测试表征方面的帮助。武汉大学科研公共服务条件平台为此项工作的开展提供了有力的支撑。