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有机太阳能电池作为下一代光伏技术，由于其低成本，质轻和良好的溶液加工性能，引起研究者的广泛关注。在过去的几年中，有机光伏在材料设计，器件工程和工作机理等方面的不断发展，使其能量转换效率提高到了接近18%。但是目前其较大的电压损失限制了效率的进一步提高。有机太阳能电池的电压损失主要来源于两方面：其一是使电荷分离的驱动力，目前许多非富勒烯体系的驱动力很小几乎可以忽略；另一方面是非辐射复合造成的电压损失。非辐射复合电压损失与其电致发光的外量子效率（eqeel）密切相关，而目前最常用给体聚合物pbdb-tf的发光性能也较差。因此开发一些高发光性能的给体材料以及研究其电压损失是目前要解决的问题。
基于此，作者设计并合成了三种不同烷基链长度的基于羧基取代稠环噻吩的给体聚合物，它们展现出不同的发光性能，pbtt-c4和c5具有较高的eqeel而pbtt-c3很低。当与btp-ec9共混制备有机太阳能电池时，pbtt-c4展现了较高的开路电压，其非辐射复合电压损失仅0.19 v。
图1. j–v 曲线(a) 纯给体器件 (b) 本体异质结器件
作者首先构筑了纯给体器件研究其发光性能。pbtt-c4和c5 eqeel高达1×10-2而pbtt-c3仅有8.07×10-6。基于pbtt-c4 and c5的电池器件非辐射复合电压损失分别为0.11 v 和 0.12 v，而pbtt-c3为0.30 v。作者将它们分别与btp-ec9共混构筑本体异质结太阳能电池器件，可以看到基于pbtt-c4的器件开路电压达0.892 v。作者发现所有器件由于电荷产生导致的电压损失都很小，而基于pbtt-c4器件的非辐射复合电压损失仅0.19 v。
图2 基于pbtt-cn(n = 3,4 and 5)太阳能电池的光伏参数
作者通过afm和giwaxs研究了薄膜的形貌。从afm图中，均能看到薄膜呈现纳米纤维状，基于pbtt-c3 的薄膜的表面粗糙度较大，为6.59 nm，而pbtt-c4和pbtt-c5的分别为4.68 nm和3.88 nm。giwaxs图谱表明三种薄膜均表现face-on 堆积取向，pbtt-c3, c4 and c5 的π-π堆积距离分别为3.55 å, 3.74 å和3.76 å。
图3 afm高度图(a) pbtt-c3:btp-ec9, (b) c4:btp-ec9和(c) c5:btp-ec9薄膜 giwaxs图 (d) pbtt-c3:btp-ec9, (e)c4:btp-ec9和(f) c5:btp-ec9薄膜
相关成果以“design of ultra-high luminescent polymers for organicphotovoltaic cells with low energy loss”为题发表在chemical communications上。
原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/cc/d1cc02706a（点击阅读全文可直达文章出处）
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作者：梁世洁 校稿：张广聪
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