华南理工大学陈军武团队：厚膜高分子太阳电池性能取得进展

华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室陈军武教授课题组在厚膜高分子太阳电池（PSC）性能研究方面取得重要进展，相关成果以“Significantly enhanced electron transport of nonfullerene acceptor in blend film with high hole mobility polymer of high molecular weight: thick-film nonfullerene polymer solar cells showing high fill factor”为题，发表于《材料化学杂志A》（J. Mater. Chem. A, 2020, DOI:10.1039/D0TA01340D）。以下是关键研究内容与结论：研究背景与挑战高分子太阳电池因可通过卷对卷（R2R）工艺制备低成本、轻量化柔性器件而备受关注，但其效率提升受限于活性层厚度：传统问题：活性层厚度约100纳米时效率最高，但厚度增加会导致填充因子（FF）显著下降，降低整体效率。工艺需求：R2R印刷要求活性层在平均厚度（如300纳米）上下150-200纳米范围内保持高效率，以提供稳定的加工窗口。研究突破课题组通过发展高空穴迁移率聚合物（Si25）作为给体材料，结合非富勒烯受体（IEICO-4F），实现了厚膜PSC性能的显著提升：效率突破：320纳米厚度的非富勒烯厚膜活性层效率超过13%，填充因子（FF）高达70.15%（300纳米级别二元活性层中罕见）。在150~460纳米厚度范围内，器件FF保持66%以上，并在250~420纳米厚度区间维持12%以上效率，展现出宽加工窗口。材料设计与机制：聚合物Si25：比较了三种分子量（12.7-105.6 kg/mol）的Si25-L、Si25-H1、Si25-H2，发现高分子量Si25-H2与IEICO-4F搭配时，短路电流（Jsc）高达26.87 mA/cm2，得益于宽EQE波长响应。能级匹配：Si25的HOMO能级（-5.27~-5.32 eV）与IEICO-4F（-5.43 eV）的差值小至0.11 eV，减少电压损失（最低0.53 eV）。载流子迁移率平衡：Si25-H2诱导IEICO-4F电子迁移率（μe）从纯膜的1.15×10?? cm2/(Vs)提升至9.21×10?? cm2/(Vs)，接近10?3量级。空穴迁移率（μh）为4.08×10?3 cm2/(Vs)，μh/μe比值为4.42，实现载流子输运的高度平衡。形貌调控：结晶有序度：Si25-H2显著诱导IEICO-4F在共混薄膜中形成face-on结晶结构，lamella距离从20.26 ?减小至18.47 ?，并出现增强的IP(200)峰，表明更高程度的有序结晶。激子分离：瞬态荧光光谱（TRPL）显示，Si25-H2共混薄膜的激子寿命（9.52 ps）短于Si25-L（22.2 ps），证实高分子量聚合物促进电荷分离。研究意义工艺适配性：宽加工窗口（250~420纳米）满足R2R印刷对厚度均匀性的要求，推动大面积柔性器件的产业化应用。材料设计策略：通过高空穴迁移率聚合物诱导非富勒烯受体结晶有序度，为活性层形貌调控提供了新方法。稳定性：器件在空气中经初始12天“burn-in”损耗后趋于稳定，36天后效率仍保持7.07%~10.85%。研究团队与资助第一作者：已毕业博士研究生王祯。通讯作者：陈军武教授。资助：国家自然科学基金项目（U1401244，51521002，91633301，51673070）。图1. 不同分子量聚合物Si25和非富勒烯IEICO-4F的结构式(a)和能级(b)图2. 不同分子量聚合物Si25和非富勒烯IEICO-4F的薄膜消光图3. Si25-H2：IEICO-4F活性层在不同厚度下的PSC性能该研究为厚膜PSC的高效化与产业化提供了重要理论支持和技术路径。