新型多功能共軛聚合物，提升鈣鈦礦太陽能電池性能

　　化石能源不具備可持續性，而且近代的大量使用帶來了一系列環境影響，一直是困擾世界各國的難題。太陽能電池作為很有希望的應對方案之一，是世界范圍內科學研究的焦點，低成本、可溶液加工、大面積、可彎曲的新一代太陽能電池，是很多科學家研究的目標。通過選用合適的空穴傳輸材料（HTMs）以及光伏給體材料，無機鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）以及有機太陽能電池（OSCs）最高認證效率已經分別高達22.1%和12.7%，與傳統硅基太陽能電池相差不遠。由于PSCs和OSCs溶液加工的特性，與其他光伏器件相比表現出了更吸引人的發展空間。

　　以往報道的PSCs和OSCs為了提高器件效率，在加工過程中常常會加入高毒性摻雜劑或者高沸點添加劑，這對環境、加工條件控制以及操作人員身體都不利。為了克服這一缺點，韓國釜山國立大學Sung-Ho Jin、韓國材料科學研究院（KIMS）Myungkwan Song、日本大阪大學Akinori Saeki等科學家制備了三種新型多功能共軛聚合物（P1–P3），并將它們成功應用到PSCs作為HTMs，實現了無摻雜器件；以及應用到OSCs作為光伏給體材料，實現了無添加劑加工。其中，使用P3聚合物的PSCs和OSCs分別取得了17.28%和8.26%的光電轉換效率；在PSCs中，室溫空氣中的穩定性可以維持30天。

圖1. (a) 聚合物結構式；(b) 溶液和薄膜狀態下的UV吸收；(c) DFT理論計算得到的HOMO和LUMO能級。

　　這些新型多功能共軛聚合物中，作者選用烷氧基萘噻吩取代的苯并二噻吩（BDT）作為給體單元，苯并噻二唑（BT）、單氟代BT以及雙氟代BT分別作為受體單元（圖1a）。主鏈中的氟院子以及2D共軛側鏈共同作用，在PSCs中表現為提高遷移率以及調節能級；在OSCs中也在偶極矩、介電常數以及束縛能方面表現出了積極的作用。作者使用這些聚合物，制備了PSC和OSC器件并檢驗了性能。

　　在PSC器件中，器件性能的不同與聚合物的特性、遷移率、串聯電阻RS等的變化是一致的（圖2）。P3具有最高的空穴遷移率以及更小的RS，因此獲得了最高的器件效率。并且作者還通過PL測試證實了鈣鈦礦和P3之間的電荷分離非常有效。作者對OPV及PSCs器件的穩定性做了測試，在室溫空氣中放置30天，鈣鈦礦器件的效率幾乎不變，而OPV器件的性能下降也較少（圖2d）。

圖2. (a) PSCs能級示意圖；(b) 器件結構示意圖；(c) 基于P3的PSCs的FE-SEM橫截面示意圖；(d) PSCs的J-V曲線；(e) PSCs的EQE曲線；(f) 基于P3的PSCs以及基于 spiro-OMeTAD的PSCs穩定性測試。

　　OSC器件性能如圖3所示，包括J-V曲線、EQE曲線等。在OSC器件中，由于不同氟原子個數對HOMO能級的影響，基于三個聚合物的開路電壓（Voc）表現出較大差異，并且SCLC和EQE響應也和器件性能一致。無論是短路電流還是開路電壓，P3分子表現出了最優的性能。

圖3. (a) OSCs能級示意圖；(b) 器件結構示意圖；(c) J-V曲線；(d) EQE曲線；(e) CT態、能級Eg、Voc、偶極矩以及介電常數關系示意圖；(f) 不同光強變化對FF的影響。

　　作者還做了GIXS測試來探究聚合物的堆積排列情況。三種聚合物原始薄膜中都表現出了相似的堆積，這主要歸因于相似的聚合物主鏈和側鏈。并且這三個聚合物都有很強的010峰，有很強的face-on堆積，這對電荷的傳輸是非常有利的。同時P3有更近的π堆積距離，從而使得它具有更高的電荷遷移率。

圖4. GIXS測試。

　　Face-on的排列方式以及較近的π-π堆積距離是該類聚合物在PSCs和OSCs器件中性能優異的基礎。在以后的研究工作中，通過理論計算合理的設計分子結構，避免使用毒性試劑，以及尋求長期穩定的器件仍然是本領域的重中之重。