高效非富勒烯聚合物太阳能电池的制备与性能优化近年来,非富勒烯聚合物太阳能电池（NF-PSCs）成为国内外能源科学和材料领域的研究热点,这得益于非富勒烯受体材料尤其是n-型有机半导体材料（n-OS）的飞速的发展。
目前,研究的焦点是如何进一步提高NF-PSCs的能量转换效率（PCE）,并实现工业化生产。
本论文主要围绕宽带隙氟取代聚合物给体材料（PM6）与窄带隙小分子非富勒烯受体材料共混制备高效率的NF-PSCs,探索器件的各性能参数与活性层材料
的特性和共混薄膜的微观形貌之间的相互关系,以及制备并探究了大面积、柔性NF-PSCs的光伏性能,取得的主要研究成果如下:1.以氟取代的宽带隙聚合物给
体材料PM6和小分子非富勒烯受体ITIC为研究对象,制备有机光伏器件并对器件性能进行研究。
其中,PM6作为聚合物给体材料,具有较宽的光学带隙（1.8 eV）和较低的HOMO能级（-5.50 eV）,以及较强的结晶性和以Face on取向为主的分子结构。
经过器件优化,在DIO和热退火的协同作用下,基于PM6:ITIC的活性层获得了宽而强的光谱吸收,平衡的空穴/电子迁移率和良好的相分离尺寸,从而光伏器件获得了高达9.7%的能量转化效率;同时获得了高达1.04 V的V<sub>oc</sub>和16.0 mA cm<sup>-2</sup>的Jsc。
值得注意的是,PM6和ITIC之间的HOMO能级差(ΔE<sub>HOMO</sub>)仅有0.10 eV,仍然可以获得高效的空穴传输;且能量损失(E<sub>loss</sub>)低为0.51 eV。
9.7%的能量转换效率是基于V<sub>oc</sub>大于1 V且E<sub>loss</sub>小于0.55 eV的非富勒烯聚合物太阳能电池中文献报道的最高值。
2.为了进一步提高光伏器件的能量转化效率,我们使用结晶性更强的窄带隙非富勒烯受体
IDIC为受体,以PM6为给体,共混制备非富勒烯聚合物太阳能电池。
其中,PM6和IDIC的能级匹配、吸收互补且PM6具有较强的结晶性和π-π堆积的分子结构;所以,基于PM6:IDIC体系在活性层不需要任何特殊处理的情况下简单制备的PSCs就可以获得高达11.9%的PCE,同时获得了高达0.97 V的
V<sub>oc</sub>、17.8 mA cm<sup>-2</sup>的J<sub>sc</sub>以及69%的FF。
11.9%的PCE是当时文献报道的单结PSCs中不需要后处理的最高效率。
同时,为了研究该聚合物太阳能电池的实际应用潜力,我们制备了不同活性层厚度和不同器件面积的聚合物太阳能电池,发现在活性层膜厚范围为95-255 nm、器件面积为0.20-0.81 cm<sup>2</sup>之间时均可以获得超多11%的能量转换效率。
当器件面积高达1.25 cm<sup>2</sup>时,初步优化的柔性聚合物太阳能电池依然收获了6.54%的能量转换效率。
上述结果表明,该活性层体系适用于高效柔性大面积器件的简单（无后处理）制备,一定程度上推动了聚合物太阳能电池的产业化进程。