含氟给体聚合物对基于萘二酰亚胺-芳烃共聚物受体的全聚合物太阳能电池形貌、光物理特性及性能的影响

摘要： 采用萘二酰亚胺-双硒吩共聚物(PNDIBS)、萘二酰亚胺-硒吩共聚物(PNDIS)与氟化给体聚合物PM6，研究了氟化聚合物组分对全聚合物太阳能电池(all-PSCs)形貌与性能的影响。虽然PM6:PNDIBS共混体系展现出高开路电压(Voc=0.925V)和理想的光学带隙能量损失(Eloss=0.475eV)，但整体光电转换效率(PCE)仅为3.1%。相比之下，PM6:PNDIS共混体系兼具高Voc(0.967V)与高填充因子(FF=0.70)，实现了9.1%PCE的高效全-PSCs。此外，高性能PM6:PNDIS全-PSCs可通过多种溶液加工方法制备，且活性层厚度高达300nm时仍不牺牲光伏效率。研究表明，PNDIS与PNDIBS分别与PM6配对时呈现迥异的光伏特性，这源于二者显著不同的共混形貌与光物理性质。高效PM6:PNDIS共混薄膜具有垂直相分层与横向相分离特征，同时分子排列以面朝上取向为主；而低效PM6:PNDIBS共混薄膜则呈现具有面朝上与边朝上两种分子取向的体相横向相分离。PM6:PNDIS共混体系中增强的电荷光生、抑制的直接复合与双分子复合（电荷收集概率达99%），与PM6:PNDIBS体系较差的电荷收集概率（66%）及高电子-空穴复合形成鲜明对比。本研究表明：除普遍预期的Voc提升外，全-PSCs中的氟化聚合物组分还能通过调控共混形貌与光物理性质，对光伏性能产生积极或消极影响。