利用三元策略或倒置干燥有源层的方法来提高聚合物太阳能电池的性能

　　 近年来，三元策略已经被证实是一种提高聚合物太阳能电池性能的有效手段。一个高结晶的小分子材料BTR被用来作为第三组分引入到聚合物体系PTB7-Th:PC₇₁BM中。当BTR在给体中的含量为10wt%时，电池的短路电流和填充因子分别提升到19.23mAcm^-2和72.21%，其效率从10.08%提高到10.83%。通过引入合适量的BTR也使三元器件的稳定性也得到提高，这主要是由于其相分离得到优化。这一现象在正型和反型器件中都得到验证。BTR对器件性能提升的主要贡献被总结如下： 

　　1) PTB7-Th与BTR吸收光谱互补，适当的BTR的引入使有源层的光子俘获能力增强。 

　　2)BTR作为一种成核剂可以促使PTB7-Th结晶，从而优化了分子排布和相分离，这可以从掠入射X射线衍射（GIXD）和透射电子显微镜（TEM）表征中得到证明。 

　　3)少量掺入的BTR更倾向于分布在PTB7-Th的网格中。在BTR上的空穴主要借助PTB7-Th的HOMO能级传输。两种给体材料之间的能量转移有利于激子利用率的提高。 

　　图1 利用北京同步辐射装置（BSRF）获得的混合薄膜面外方向的衍射图。 

　　有源层的形貌在决定聚合物太阳能电池的效率和稳定性方面起着重要作用。薄膜形貌可以通过溶剂添加剂或者其他有源层处理方法来优化。给体分子的聚集和受体分子的分布可以通过有源层慢干的过程来调节。在该工作中，北京交通大学张福俊课题组通过倒置干燥有源层的方法提高了器件的效率和稳定性。性能提高的原因如下： 

　　1) 通过采用倒置干燥有源层的方法，优化给体的分子排布, 形成了更加有序和紧密的π-π堆积，这可以从GIXD中得到证明。 

　　2)优化了受体分子的分布。在倒置干燥有源层的过程中，一些PCBM分子会向有源层上表面迁移，形成更加理想的垂直相分离。这可以从X射线光电子能谱（XPS）中测得。 

　　3)使薄膜形貌更加稳固。更加有序和紧密的给体分子的网格结构能够使PCBM分子更稳固，阻止大的聚集的形成，增强了形貌的稳定性。

　　　　图2 利用北京同步辐射装置（BSRF）测得的混合薄膜面外，面内方向的衍射图。

　　 图3 利用北京同步辐射装置（BSRF）测得的混合薄膜表面的碳硫含量。

　　发表文章：

　　1. A liquid crystal material as the third component for ternary polymer solar cells with an efficiency of 10.83% and enhanced stability, Journal of Materials Chemistry A, 5, 13145-13153, 2017.

　　2. Simultaneously Enhanced Efficiency and Stability of Polymer Solar Cells by Employing Solvent Additive and Upside-down Drying Method, ACS Applied Materials & Interfaces, 9, 8863, 2017.