新型多功能共轭聚合物，提升钙钛矿太阳能电池性能
化石能源不具备可持续性，而且近代的大量使用带来了一系列环境影响，一直是困扰世界各国的难题。太阳能电池作为很有希望的应对方案之一，是世界范围内科学研究的焦点，低成本、可溶液加工、大面积、可弯曲的新一代太阳能电池，是很多科学家研究的目标。通过选用合适的空穴传输材料（HTMs）以及光伏给体材料，无机钙钛矿太阳能电池（PSCs）以及有机太阳能电池（OSCs）最高认证效率已经分别高达22.1%和12.7%，与传统硅基太阳能电池相差不远。由于PSCs和OSCs溶液加工的特性，与其他光伏器件相比表现出了更吸引人的发展空间。
以往报道的PSCs和OSCs为了提高器件效率，在加工过程中常常会加入高毒性掺杂剂或者高沸点添加剂，这对环境、加工条件控制以及操作人员身体都不利。为了克服这一缺点，韩国釜山国立大学Sung-Ho Jin、韩国材料科学研究院（KIMS）Myungkwan Song、日本大阪大学Akinori Saeki等科学家制备了三种新型多功能共轭聚合物（P1–P3），并将它们成功应用到PSCs作为HTMs，实现了无掺杂器件；以及应用到OSCs作为光伏给体材料，实现了无添加剂加工。其中，使用P3聚合物的PSCs和OSCs分别取得了17.28%和8.26%的光电转换效率；在PSCs中，室温空气中的稳定性可以维持30天。
图1. (a) 聚合物结构式；(b) 溶液和薄膜状态下的UV吸收；(c) DFT理论计算得到的HOMO和LUMO能级。
这些新型多功能共轭聚合物中，作者选用烷氧基萘噻吩取代的苯并二噻吩（BDT）作为给体单元，苯并噻二唑（BT）、单氟代BT以及双氟代BT分别作为受体单元（图1a）。主链中的氟院子以及2D共轭侧链共同作用，在PSCs中表现为提高迁移率以及调节能级；在OSCs中也在偶极矩、介电常数以及束缚能方面表现出了积极的作用。作者使用这些聚合物，制备了PSC和OSC器件并检验了性能。
在PSC器件中，器件性能的不同与聚合物的特性、迁移率、串联电阻RS等的变化是一致的（图2）。P3具有最高的空穴迁移率以及更小的RS，因此获得了最高的器件效率。并且作者还通过PL测试证实了钙钛矿和P3之间的电荷分离非常有效。作者对OPV及PSCs器件的稳定性做了测试，在室温空气中放置30天，钙钛矿器件的效率几乎不变，而OPV器件的性能下降也较少（图2d）。
图2. (a) PSCs能级示意图；(b) 器件结构示意图；(c) 基于P3的PSCs的FE-SEM横截面示意图；(d) PSCs的J-V曲线；(e) PSCs的EQE曲线；(f) 基于P3的PSCs以及基于 spiro-OMeTAD的PSCs稳定性测试。
OSC器件性能如图3所示，包括J-V曲线、EQE曲线等。在OSC器件中，由于不同氟原子个数对HOMO能级的影响，基于三个聚合物的开路电压（Voc）表现出较大差异，并且SCLC和EQE响应也和器件性能一致。无论是短路电流还是开路电压，P3分子表现出了最优的性能。
图3. (a) OSCs能级示意图；(b) 器件结构示意图；(c) J-V曲线；(d) EQE曲线；(e) CT态、能级Eg、Voc、偶极矩以及介电常数关系示意图；(f) 不同光强变化对FF的影响。
作者还做了GIXS测试来探究聚合物的堆积排列情况。三种聚合物原始薄膜中都表现出了相似的堆积，这主要归因于相似的聚合物主链和侧链。并且这三个聚合物都有很强的010峰，有很强的face-on堆积，这对电荷的传输是非常有利的。同时P3有更近的π堆积距离，从而使得它具有更高的电荷迁移率。
图4. GIXS测试。
Face-on的排列方式以及较近的π-π堆积距离是该类聚合物在PSCs和OSCs器件中性能优异的基础。在以后的研究工作中，通过理论计算合理的设计分子结构，避免使用毒性试剂，以及寻求长期稳定的器件仍然是本领域的重中之重。
