苝二酰亚胺聚合物太阳能电池中氟调控对形貌、能量损耗及载流子动力学的影响

摘要： 我们研究了骨干氟化效应对体异质结（BHJ）聚合物太阳能电池（PSCs）的影响，采用低氟聚合物PBDTT-FTTE与高氟聚合物PBDTTF-FTTE作为给体材料，搭配三维"螺旋桨型受体"酞菁二酰亚胺（PDI）Ph(PDI)3。相较于PBDTT-FTTE:Ph(PDI)3器件，PBDTTF-FTTE:Ph(PDI)3器件的功率转换效率（PCE）提升超过50%（最高达9.1%）。这一增强效应源于模板作用导致的结构优化相分离，表现为能量损失降低、电子迁移率提高、自由电荷寿命与产率增加以及双分子复合减弱——这些通过UPS、AFM、TEM、GIWAXS、SCLC、光强依赖测量及飞秒/纳秒瞬态吸收（TA）光谱得以量化证实。在PBDTTF-FTTE中，基态与激子态的DFT计算偶极取向近乎反平行，这解释了其更长的自由电荷寿命、最小化的复合损耗及降低的激子结合能。相比低氟PBDTT-FTTE:Ph(PDI)3对照体系，PBDTTF-FTTE:Ph(PDI)3的性能提升幅度以及整体PSC表现均优于相应的PC71BM和ITIC-Th基电池。