全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池：形貌調(diào)控與器件性能優(yōu)化的協(xié)同策略

一、引言1.1研究背景與意義在全球能源需求持續(xù)增長(zhǎng)以及環(huán)境問題日益嚴(yán)峻的背景下，開發(fā)清潔、可再生的新能源已成為人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。太陽(yáng)能作為一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，其利用技術(shù)的研究和發(fā)展受到了廣泛關(guān)注。太陽(yáng)能電池作為將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能的重要裝置，在新能源領(lǐng)域中占據(jù)著重要地位。其中，有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSCs）由于具有質(zhì)輕、可溶液加工、可制備大面積柔性器件、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，成為了太陽(yáng)能電池研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。有機(jī)太陽(yáng)能電池根據(jù)活性層材料的不同，可分為小分子有機(jī)太陽(yáng)能電池和聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池。全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池（all-polymerorganicsolarcells，all-PSCs）作為聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池的一個(gè)重要分支，其活性層中的電子給體和受體材料均為聚合物。與傳統(tǒng)的聚合物：小分子體系相比，all-PSCs具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。一方面，聚合物材料具有良好的成膜性和機(jī)械性能，使得all-PSCs在柔性可穿戴設(shè)備、光伏建筑一體化等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。例如，在可穿戴設(shè)備中，all-PSCs可以與衣物等柔性材料相結(jié)合，為設(shè)備提供持續(xù)的電力供應(yīng)，且能適應(yīng)人體的各種活動(dòng)；在光伏建筑一體化中，其可制成與建筑材料相融合的柔性薄膜，實(shí)現(xiàn)建筑的美觀與發(fā)電功能的統(tǒng)一。另一方面，聚合物材料的分子結(jié)構(gòu)可通過化學(xué)合成進(jìn)行精確調(diào)控，這為優(yōu)化材料的光學(xué)、電學(xué)和電化學(xué)性能提供了更多的可能性。通過合理的分子設(shè)計(jì)，可以使聚合物材料的吸收光譜更好地匹配太陽(yáng)光譜，提高光吸收效率，從而提升電池的光電轉(zhuǎn)換效率。盡管all-PSCs具有諸多優(yōu)勢(shì)，但其發(fā)展仍面臨一些挑戰(zhàn)。其中，效率和穩(wěn)定性是限制其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的主要因素。目前，all-PSCs的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）與傳統(tǒng)的聚合物：小分子體系相比仍有一定差距。根據(jù)相關(guān)研究，截至目前，聚合物：小分子體系的有機(jī)太陽(yáng)能電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率已突破19%，而all-PSCs的效率雖有顯著提升，但仍有待進(jìn)一步提高，以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。在穩(wěn)定性方面，all-PSCs在光照、熱、濕度等環(huán)境因素的作用下，其性能容易發(fā)生衰退，導(dǎo)致電池的使用壽命縮短。例如，在長(zhǎng)期光照下，活性層材料可能會(huì)發(fā)生光降解反應(yīng)，使材料的結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，進(jìn)而影響電池的電荷傳輸和分離效率；在高溫環(huán)境中，聚合物材料的分子鏈運(yùn)動(dòng)加劇，可能導(dǎo)致活性層的形貌發(fā)生改變，引起相分離尺寸的變化，從而降低電池的性能。為了提高all-PSCs的效率和穩(wěn)定性，形貌調(diào)控與器件優(yōu)化成為了關(guān)鍵的研究方向?；钚詫拥男蚊矊?duì)all-PSCs的性能有著至關(guān)重要的影響。合適的形貌可以促進(jìn)光吸收、電荷分離和傳輸，減少電荷復(fù)合，從而提高電池的效率。例如，通過調(diào)控活性層中給體和受體聚合物的相分離結(jié)構(gòu)，使其形成納米級(jí)別的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠有效增加給體-受體界面面積，提高電荷分離效率；同時(shí)，優(yōu)化分子的堆積取向，使電荷傳輸方向與電極方向一致，可降低電荷傳輸電阻，提高電荷傳輸效率。此外，通過器件優(yōu)化，如選擇合適的電極材料、界面修飾層以及優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)等，可以改善電池的性能和穩(wěn)定性。合適的電極材料應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性和與活性層的匹配性，能夠有效地收集電荷；界面修飾層可以降低界面電阻，減少電荷積累，提高電池的穩(wěn)定性和效率。綜上所述，全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池在新能源領(lǐng)域具有重要的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。通過深入研究形貌調(diào)控與器件優(yōu)化策略，有望進(jìn)一步提高其效率和穩(wěn)定性，推動(dòng)其走向大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，為解決全球能源問題和環(huán)境保護(hù)做出貢獻(xiàn)。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池的研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均取得了一系列重要成果。在材料設(shè)計(jì)與合成方面，國(guó)外如美國(guó)的一些科研團(tuán)隊(duì)，通過對(duì)聚合物給體和受體材料的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確設(shè)計(jì)，成功開發(fā)出了具有更窄帶隙和更強(qiáng)吸收能力的材料。例如，他們?cè)诰酆衔镏麈溨幸胩囟ǖ墓曹梿卧蛡?cè)鏈結(jié)構(gòu)，有效調(diào)節(jié)了材料的光學(xué)和電學(xué)性能，使得材料對(duì)太陽(yáng)光的吸收范圍更廣，電荷傳輸效率更高。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院的研究人員通過創(chuàng)新的合成方法，制備出了具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的聚合物受體材料，顯著提升了其與給體材料的相容性和電荷轉(zhuǎn)移效率。這種材料在活性層中能夠形成更理想的相分離結(jié)構(gòu)，為提高電池性能奠定了基礎(chǔ)。在形貌調(diào)控方面，國(guó)外研究團(tuán)隊(duì)利用溶劑退火、添加劑等手段，對(duì)活性層的形貌進(jìn)行了精細(xì)調(diào)控。例如，通過選擇合適的溶劑退火時(shí)間和溫度，能夠精確控制給體和受體聚合物的相分離尺寸和形態(tài)，使其形成納米級(jí)別的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，極大地促進(jìn)了電荷的分離和傳輸。國(guó)內(nèi)的研究則側(cè)重于探索新的形貌調(diào)控策略，如采用新型的小分子添加劑，通過其與聚合物材料之間的特殊相互作用，誘導(dǎo)活性層形成有序的分子堆積結(jié)構(gòu)，提高了電荷傳輸?shù)姆较蛐院托?。同時(shí)，國(guó)內(nèi)研究人員還利用先進(jìn)的表征技術(shù)，如高分辨率透射電子顯微鏡（TEM）和掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）等，深入研究形貌與性能之間的關(guān)系，為形貌調(diào)控提供了更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在器件優(yōu)化方面，國(guó)外科研人員在電極材料和界面修飾層的研究上取得了顯著進(jìn)展。他們開發(fā)出了新型的透明導(dǎo)電電極材料，具有更高的導(dǎo)電性和更好的穩(wěn)定性，同時(shí)降低了與活性層之間的接觸電阻，提高了電荷收集效率。在界面修飾層方面，通過設(shè)計(jì)合成具有特定功能的修飾材料，有效改善了界面處的電荷傳輸和復(fù)合情況，減少了能量損失。國(guó)內(nèi)的研究則注重于優(yōu)化器件的整體結(jié)構(gòu)，通過構(gòu)建多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光的多次反射和吸收，提高了光利用效率。此外，國(guó)內(nèi)還在器件的制備工藝上進(jìn)行了創(chuàng)新，如采用卷對(duì)卷印刷等大規(guī)模制備技術(shù)，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。盡管國(guó)內(nèi)外在全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池的形貌調(diào)控與器件優(yōu)化方面取得了眾多成果，但現(xiàn)有研究仍存在一些不足之處。在材料方面，雖然開發(fā)出了許多新型材料，但部分材料的合成過程復(fù)雜，成本較高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。同時(shí)，材料的穩(wěn)定性問題仍有待進(jìn)一步解決，在長(zhǎng)期光照和熱環(huán)境下，材料的性能容易發(fā)生衰退。在形貌調(diào)控方面，目前的調(diào)控方法大多依賴于特定的實(shí)驗(yàn)條件和復(fù)雜的工藝，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)中的精準(zhǔn)控制。此外，對(duì)于形貌與性能之間的內(nèi)在關(guān)系，雖然有了一定的研究，但仍缺乏深入系統(tǒng)的理解，這限制了形貌調(diào)控策略的進(jìn)一步優(yōu)化。在器件優(yōu)化方面，雖然在電極材料和界面修飾層等方面取得了進(jìn)展，但器件的整體性能仍有待提高，尤其是在穩(wěn)定性和效率方面，距離商業(yè)化應(yīng)用的要求還有一定差距。而且，目前對(duì)于器件在復(fù)雜環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性研究還不夠充分，這對(duì)于其實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究聚焦于全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池的形貌調(diào)控與器件優(yōu)化，旨在揭示形貌與器件性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，開發(fā)高效穩(wěn)定的全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池。具體研究?jī)?nèi)容如下：全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池活性層形貌調(diào)控方法研究：通過改變聚合物給體和受體材料的分子結(jié)構(gòu)，如調(diào)整共軛主鏈的長(zhǎng)度、引入不同的側(cè)鏈基團(tuán)等，研究分子結(jié)構(gòu)對(duì)活性層形貌的影響。利用溶劑退火、熱退火、添加劑等手段，精確調(diào)控活性層中給體和受體聚合物的相分離尺寸、形態(tài)和分子堆積取向。例如，通過選擇不同沸點(diǎn)和揮發(fā)速率的溶劑，在溶劑退火過程中觀察活性層形貌的演變；研究不同添加劑的種類和含量對(duì)活性層形貌的調(diào)控作用，探索其與聚合物材料之間的相互作用機(jī)制。全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池器件優(yōu)化策略研究：篩選和開發(fā)新型的電極材料，研究其與活性層的界面兼容性和電荷傳輸特性。例如，探索基于碳納米材料、金屬氧化物等新型電極材料在全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用，通過表面修飾等方法改善其與活性層的接觸性能。優(yōu)化界面修飾層的材料和厚度，研究其對(duì)電荷注入、傳輸和復(fù)合的影響。例如，采用自組裝單分子層、納米粒子修飾等方法，在電極與活性層之間引入界面修飾層，通過電學(xué)和光學(xué)測(cè)試手段，分析界面修飾層對(duì)器件性能的提升機(jī)制。形貌調(diào)控與器件優(yōu)化對(duì)全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池性能的影響研究：利用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、原子力顯微鏡（AFM）等微觀表征技術(shù)，深入研究活性層形貌與電荷傳輸、分離和復(fù)合過程之間的關(guān)系。例如，通過SEM和TEM觀察活性層的相分離結(jié)構(gòu)，分析相分離尺寸和形態(tài)對(duì)電荷傳輸路徑的影響；利用AFM研究活性層表面的粗糙度和分子堆積情況，探討其與電荷復(fù)合的關(guān)系。通過電流-電壓（J-V）測(cè)試、量子效率（EQE）測(cè)試、電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)試等手段，系統(tǒng)研究器件優(yōu)化對(duì)全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性和其他性能參數(shù)的影響。例如，通過J-V測(cè)試得到電池的開路電壓、短路電流和填充因子等參數(shù)，分析器件優(yōu)化對(duì)這些參數(shù)的影響規(guī)律；利用EQE測(cè)試研究電池在不同波長(zhǎng)下的光響應(yīng)特性，評(píng)估器件優(yōu)化對(duì)光吸收和電荷產(chǎn)生效率的影響。為實(shí)現(xiàn)上述研究?jī)?nèi)容，本研究將采用以下研究方法：實(shí)驗(yàn)研究方法：合成一系列具有不同結(jié)構(gòu)的聚合物給體和受體材料，通過溶液旋涂、噴墨打印等方法制備全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池器件。在制備過程中，精確控制實(shí)驗(yàn)條件，如溶液濃度、旋涂速度、退火溫度和時(shí)間等，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性。利用各種材料表征技術(shù)和器件性能測(cè)試手段，對(duì)制備的材料和器件進(jìn)行全面的表征和分析。例如，使用紫外-可見吸收光譜（UV-Vis）、熒光光譜（PL）等技術(shù)研究材料的光學(xué)性質(zhì)；采用循環(huán)伏安法（CV）、電化學(xué)阻抗譜（EIS）等方法研究材料的電化學(xué)性質(zhì)和器件的電荷傳輸特性。理論計(jì)算方法：運(yùn)用密度泛函理論（DFT）、分子動(dòng)力學(xué)模擬（MD）等理論計(jì)算方法，從分子層面深入研究聚合物材料的電子結(jié)構(gòu)、能級(jí)排列以及分子間相互作用，為材料設(shè)計(jì)和形貌調(diào)控提供理論指導(dǎo)。例如，通過DFT計(jì)算分析聚合物分子的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）和最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能級(jí)，預(yù)測(cè)材料的電荷傳輸性能；利用MD模擬研究聚合物分子在溶液和薄膜中的構(gòu)象變化以及分子間的相互作用，為理解活性層形貌的形成機(jī)制提供理論依據(jù)。二、全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池的基本原理與結(jié)構(gòu)2.1工作原理全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池的工作原理基于光生伏打效應(yīng)，其光電轉(zhuǎn)換過程主要包括以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：光的吸收與激子的形成、激子的擴(kuò)散和電荷分離、電荷的傳輸和收集。當(dāng)太陽(yáng)光照射到全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池上時(shí)，首先是光的吸收與激子的形成過程?；钚詫又械木酆衔锝o體材料吸收光子，光子的能量使電子從聚合物給體的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）躍遷到最低未占據(jù)分子軌道（LUMO），從而形成電子-空穴對(duì)，即激子。由于有機(jī)材料中電子與空穴之間存在較強(qiáng)的庫(kù)侖相互作用，激子中的電子和空穴被束縛在一起。在這一過程中，材料的吸收光譜與太陽(yáng)光譜的匹配程度對(duì)光吸收效率起著關(guān)鍵作用。如果聚合物給體材料的吸收光譜能夠廣泛且有效地覆蓋太陽(yáng)光譜的主要能量范圍，就能吸收更多的光子，產(chǎn)生更多的激子。例如，一些具有寬吸收光譜的聚合物給體材料，如聚噻吩衍生物等，能夠在可見光和近紅外光區(qū)域有較強(qiáng)的吸收，從而提高光吸收效率。激子形成后，會(huì)發(fā)生激子的擴(kuò)散和電荷分離。激子在活性層中通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，遷移到聚合物給體與聚合物受體的界面處。由于聚合物受體的最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能級(jí)低于聚合物給體的LUMO能級(jí)，在給體-受體界面處，激子中的電子會(huì)從聚合物給體轉(zhuǎn)移到聚合物受體的LUMO能級(jí)上，而空穴則留在聚合物給體的HOMO能級(jí)上，實(shí)現(xiàn)光生電荷的分離。激子的擴(kuò)散長(zhǎng)度是影響電荷分離效率的重要因素，一般有機(jī)材料中的激子擴(kuò)散長(zhǎng)度較短，通常在10nm左右。這就要求活性層中給體和受體材料形成納米級(jí)別的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以確保激子能夠在擴(kuò)散長(zhǎng)度范圍內(nèi)到達(dá)給體-受體界面，實(shí)現(xiàn)有效的電荷分離。例如，通過調(diào)控活性層的形貌，使給體和受體聚合物形成納米尺度的相分離結(jié)構(gòu)，增加給體-受體界面面積，可提高激子到達(dá)界面的概率，從而提升電荷分離效率。電荷分離后，進(jìn)入電荷的傳輸和收集階段。分離后的電子在聚合物受體中傳輸，空穴在聚合物給體中傳輸，它們分別向陰極和陽(yáng)極移動(dòng)。在傳輸過程中，電荷的遷移率和傳輸路徑的通暢性對(duì)電荷傳輸效率有重要影響。聚合物材料的分子結(jié)構(gòu)、分子間的堆積方式以及活性層的形貌等因素都會(huì)影響電荷遷移率。例如，具有規(guī)整分子結(jié)構(gòu)和良好分子堆積的聚合物材料，能夠提供更有效的電荷傳輸通道，提高電荷遷移率。當(dāng)電子和空穴傳輸?shù)诫姌O處時(shí)，被相應(yīng)的電極收集，形成光電流和光電壓，完成太陽(yáng)能到電能的轉(zhuǎn)換。電極與活性層之間的界面接觸情況以及電極的功函數(shù)與活性層材料的能級(jí)匹配程度，會(huì)影響電荷的收集效率。如果界面接觸不良或能級(jí)不匹配，會(huì)導(dǎo)致電荷積累，降低電荷收集效率，進(jìn)而影響電池的性能。光生電荷分離、傳輸及復(fù)合過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)電池性能都有著重要影響。在光生電荷分離環(huán)節(jié)，高效的電荷分離能夠產(chǎn)生更多的自由載流子，為后續(xù)的電荷傳輸和收集提供基礎(chǔ)。若電荷分離效率低，大量激子無(wú)法解離，就會(huì)導(dǎo)致電池的短路電流降低，從而影響光電轉(zhuǎn)換效率。在電荷傳輸環(huán)節(jié)，快速且高效的電荷傳輸能夠減少電荷在活性層中的復(fù)合，提高電荷收集效率。如果電荷傳輸受阻，電荷在傳輸過程中發(fā)生復(fù)合，會(huì)使電池的填充因子降低，同樣會(huì)降低光電轉(zhuǎn)換效率。而在電荷復(fù)合方面，電荷復(fù)合會(huì)減少到達(dá)電極的有效電荷數(shù)量，降低光電流和光電壓，對(duì)電池性能產(chǎn)生負(fù)面影響。例如，在高溫或光照條件下，活性層的形貌可能發(fā)生變化，導(dǎo)致給體-受體界面結(jié)構(gòu)破壞，電荷復(fù)合增加，電池性能下降。2.2基本結(jié)構(gòu)全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)主要由電極、活性層、界面層等部分組成，各部分相互協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能到電能的轉(zhuǎn)換，每一部分都對(duì)電池性能有著不可或缺的作用。電極是電池中負(fù)責(zé)收集和傳輸電荷的關(guān)鍵部分，包括陽(yáng)極和陰極。常用的陽(yáng)極材料為氧化銦錫（ITO），它具有良好的透明性和導(dǎo)電性，能夠讓大部分太陽(yáng)光透過并到達(dá)活性層，同時(shí)有效地收集空穴。其高透明度使得在可見光范圍內(nèi)的透光率可達(dá)90%以上，這為光的吸收提供了良好的條件。而其低電阻率，一般在10??Ω?cm左右，保證了空穴能夠順利傳輸，減少了電阻帶來(lái)的能量損耗。陰極材料則常采用金屬電極，如鋁（Al）、鈣（Ca）等，它們具有較低的功函數(shù)，有利于電子的收集。例如，鋁電極的功函數(shù)約為4.2eV，能夠有效地降低電子的注入勢(shì)壘，提高電子的收集效率。電極的選擇和性能直接影響著電池的電荷收集效率，進(jìn)而影響電池的短路電流和填充因子等性能參數(shù)。如果電極與活性層之間的接觸電阻過大，會(huì)導(dǎo)致電荷傳輸受阻，電荷在電極與活性層界面處積累，從而降低電荷收集效率，使電池的性能下降?；钚詫邮请姵貙?shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的核心部分，由聚合物給體和聚合物受體材料共混而成。在活性層中，聚合物給體負(fù)責(zé)吸收光子并產(chǎn)生激子，聚合物受體則接受激子中的電子，實(shí)現(xiàn)電荷分離。活性層的厚度、形貌和材料組成對(duì)電池性能有著至關(guān)重要的影響?；钚詫拥暮穸刃枰诠馕蘸碗姾蓚鬏斨g進(jìn)行平衡。如果活性層過薄，光吸收不足，導(dǎo)致產(chǎn)生的激子數(shù)量減少，從而降低短路電流；而活性層過厚，電荷傳輸距離增加，電荷在傳輸過程中容易發(fā)生復(fù)合，同樣會(huì)降低電池性能。研究表明，活性層厚度在100-200nm之間時(shí)，電池性能較為理想?；钚詫拥男蚊?，如給體和受體聚合物的相分離結(jié)構(gòu)、分子堆積取向等，對(duì)電荷分離和傳輸效率有著重要影響。納米級(jí)別的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠增加給體-受體界面面積，促進(jìn)激子的解離和電荷的傳輸；而有序的分子堆積取向則有利于電荷的快速傳輸，降低電荷傳輸電阻。例如，通過調(diào)控活性層的形貌，使給體和受體聚合物形成納米尺度的相分離結(jié)構(gòu)，可使電荷分離效率提高20%-30%。界面層位于電極和活性層之間，雖然厚度很薄，但在電池中起著關(guān)鍵的作用。它主要用于改善電極與活性層之間的界面特性，包括調(diào)節(jié)能級(jí)匹配、降低界面電阻、促進(jìn)電荷傳輸和抑制電荷復(fù)合等。在陽(yáng)極與活性層之間，常用的界面修飾材料有聚（3,4-乙撐二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT:PSS）。PEDOT:PSS具有較高的電導(dǎo)率和合適的功函數(shù)，能夠有效地降低陽(yáng)極與活性層之間的接觸電阻，促進(jìn)空穴的傳輸。同時(shí)，它還可以改善活性層的表面性質(zhì)，使活性層與陽(yáng)極之間的接觸更加緊密，減少電荷積累和復(fù)合。在陰極與活性層之間，常使用的界面修飾材料有氧化鋅（ZnO）、氧化鈦（TiO?）等金屬氧化物。這些材料具有合適的能級(jí)結(jié)構(gòu)，能夠有效地調(diào)節(jié)陰極與活性層之間的能級(jí)匹配，促進(jìn)電子的傳輸，同時(shí)還能阻擋空穴向陰極的傳輸，減少電荷復(fù)合。例如，在基于ZnO界面修飾層的全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池中，電池的填充因子和開路電壓都有顯著提高，這是因?yàn)閆nO界面修飾層有效地改善了電荷傳輸和復(fù)合情況，提高了電池的性能。三、全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池的形貌調(diào)控方法3.1材料選擇與設(shè)計(jì)對(duì)形貌的影響3.1.1聚合物給體與受體材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)聚合物給體和受體材料的分子結(jié)構(gòu)是決定全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池活性層形貌的關(guān)鍵因素之一。常見的聚合物給體材料，如聚（3-己基噻吩）（P3HT），其分子結(jié)構(gòu)中含有共軛的噻吩主鏈。這種共軛結(jié)構(gòu)使得分子內(nèi)電子離域性增強(qiáng)，有利于光吸收和電荷傳輸。P3HT的側(cè)鏈為己基，其長(zhǎng)度和柔性對(duì)分子的堆積方式和溶解性有重要影響。較長(zhǎng)的側(cè)鏈可以增加分子間的距離，降低分子間的相互作用，從而提高材料的溶解性，使其更容易在溶液中分散和形成均勻的薄膜。但側(cè)鏈過長(zhǎng)也可能會(huì)破壞分子的規(guī)整性，影響分子的有序堆積，不利于電荷傳輸。在活性層中，P3HT的分子鏈傾向于在平面內(nèi)進(jìn)行有序排列，形成一定程度的結(jié)晶區(qū)域，這種結(jié)晶結(jié)構(gòu)有利于電荷的傳輸。然而，如果結(jié)晶度過高，會(huì)導(dǎo)致相分離尺寸過大，減少給體-受體界面面積，不利于激子的解離。另一種常見的聚合物給體材料是聚噻吩并[3,4-b]噻吩-苯并二噻吩（PTB7），它具有更寬的吸收光譜和更高的電荷遷移率。PTB7的主鏈結(jié)構(gòu)中引入了苯并二噻吩單元，進(jìn)一步擴(kuò)展了共軛體系，增強(qiáng)了分子的光吸收能力。同時(shí)，其側(cè)鏈結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也經(jīng)過優(yōu)化，使得分子在保證良好溶解性的同時(shí)，能夠形成更有利于電荷傳輸?shù)姆肿佣逊e結(jié)構(gòu)。在活性層中，PTB7與聚合物受體材料共混時(shí)，能夠形成納米級(jí)別的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有效增加給體-受體界面面積，提高激子的解離效率。在聚合物受體材料方面，以聚[N-9'-十八烷基-2,7-咔唑并[3,4-b]噻吩-4,9-二酮-5,5-（4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧硼雜環(huán)戊烷）]（PCDTBT）為例，其分子結(jié)構(gòu)中含有剛性的咔唑和噻吩并二酮共軛單元。這些共軛單元賦予了材料較低的最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能級(jí)，使其能夠有效地接受來(lái)自聚合物給體的電子。PCDTBT的側(cè)鏈為十八烷基，其長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)不僅提高了材料的溶解性，還在一定程度上影響了分子的聚集行為和活性層的形貌。在與聚合物給體共混時(shí)，PCDTBT的分子鏈會(huì)與給體分子鏈相互纏繞，形成復(fù)雜的相分離結(jié)構(gòu)。這種相分離結(jié)構(gòu)的尺寸和形態(tài)對(duì)電荷的傳輸和分離有著重要影響。如果相分離尺寸過小，電荷傳輸路徑會(huì)受到阻礙；而相分離尺寸過大，則會(huì)減少給體-受體界面面積，降低激子的解離效率。另一類重要的聚合物受體材料是非富勒烯類聚合物受體，如IT-4F。IT-4F的分子結(jié)構(gòu)中含有多個(gè)氟原子取代基，這些氟原子的引入有效地調(diào)節(jié)了分子的能級(jí)和電子云分布，使其具有更合適的LUMO能級(jí)和更強(qiáng)的電子接受能力。同時(shí)，氟原子的強(qiáng)電負(fù)性還會(huì)影響分子間的相互作用和分子的堆積方式。在活性層中，IT-4F與聚合物給體形成的相分離結(jié)構(gòu)更加精細(xì)和均勻，能夠有效促進(jìn)電荷的分離和傳輸。與傳統(tǒng)的富勒烯類聚合物受體相比，IT-4F基的全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池通常具有更高的短路電流和填充因子，這得益于其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的良好的活性層形貌。聚合物給體和受體材料的分子結(jié)構(gòu)，包括共軛主鏈的結(jié)構(gòu)、側(cè)鏈的長(zhǎng)度和柔性、取代基的種類和位置等，都會(huì)對(duì)活性層的形貌產(chǎn)生顯著影響。合適的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以促進(jìn)活性層形成納米級(jí)別的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化分子的堆積取向，從而提高電荷的分離和傳輸效率，最終提升全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池的性能。3.1.2新型材料的研發(fā)與應(yīng)用隨著全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池研究的不斷深入，新型聚合物材料的研發(fā)成為提高電池性能的重要途徑。研發(fā)新型聚合物材料的思路主要集中在分子結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)上。一方面，通過引入新的共軛單元和側(cè)鏈結(jié)構(gòu)，拓展聚合物的共軛體系，調(diào)節(jié)分子的能級(jí)和電子云分布，以提高材料的光吸收能力、電荷傳輸性能和與其他材料的相容性。例如，一些研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了含有新型共軛雜環(huán)單元的聚合物給體材料。這些雜環(huán)單元具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和空間構(gòu)型，能夠與傳統(tǒng)的共軛單元形成有效的共軛相互作用，從而擴(kuò)展聚合物的吸收光譜范圍，使其能夠更充分地吸收太陽(yáng)光中的能量。同時(shí)，通過合理設(shè)計(jì)雜環(huán)單元上的取代基，可以調(diào)節(jié)分子的溶解性和分子間的相互作用，有利于在活性層中形成理想的相分離結(jié)構(gòu)和分子堆積取向。另一方面，研發(fā)新型聚合物材料還注重提高材料的穩(wěn)定性和可加工性。在穩(wěn)定性方面，通過在分子結(jié)構(gòu)中引入穩(wěn)定的化學(xué)鍵和基團(tuán)，增強(qiáng)材料對(duì)光、熱和化學(xué)環(huán)境的耐受性，減少材料在使用過程中的性能衰退。例如，在聚合物主鏈中引入芳環(huán)、雜環(huán)等剛性結(jié)構(gòu)單元，增加分子鏈的剛性和穩(wěn)定性，抑制分子鏈在光照和熱作用下的降解。在可加工性方面，優(yōu)化分子的結(jié)構(gòu)和組成，使其在常見的有機(jī)溶劑中具有良好的溶解性，便于采用溶液加工方法制備高質(zhì)量的活性層薄膜。例如，通過調(diào)整側(cè)鏈的長(zhǎng)度和極性，改善聚合物在不同溶劑中的溶解性和溶液的流變學(xué)性質(zhì)，使得在旋涂、噴墨打印等溶液加工過程中，能夠精確控制薄膜的厚度和均勻性，從而獲得性能優(yōu)異的活性層。新型聚合物材料的應(yīng)用對(duì)改善活性層形貌和提升電池性能有著顯著的效果。以一種新型的聚合物受體材料為例，該材料在分子結(jié)構(gòu)中引入了具有強(qiáng)電子接受能力的受體單元和可調(diào)節(jié)分子間相互作用的側(cè)鏈結(jié)構(gòu)。在與聚合物給體共混制備活性層時(shí)，這種新型受體材料能夠與給體材料形成更精細(xì)、更均勻的納米級(jí)互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過高分辨率透射電子顯微鏡（TEM）觀察發(fā)現(xiàn)，活性層中給體和受體的相分離尺寸在10-20nm之間，且相分離區(qū)域之間的連接更加緊密和連續(xù)。這種理想的相分離結(jié)構(gòu)大大增加了給體-受體界面面積，促進(jìn)了激子的解離。同時(shí)，由于分子間相互作用的優(yōu)化，活性層中的分子堆積更加有序，電荷傳輸通道更加暢通，電荷遷移率得到顯著提高?；谶@種新型材料的全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率相比傳統(tǒng)材料體系提高了20%-30%，達(dá)到了一個(gè)新的水平。在另一項(xiàng)研究中，研發(fā)的新型聚合物給體材料通過引入特殊的側(cè)鏈基團(tuán)，實(shí)現(xiàn)了分子在活性層中的垂直取向排列。利用掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）技術(shù)對(duì)活性層進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)新型給體材料的分子鏈在垂直于薄膜平面方向上呈現(xiàn)出高度有序的排列，這種排列方式有利于電荷沿垂直方向向電極傳輸，減少了電荷在傳輸過程中的復(fù)合。同時(shí)，由于分子的垂直取向排列，活性層對(duì)光的吸收也得到了增強(qiáng)，提高了光生激子的產(chǎn)生效率?；谠撔滦徒o體材料的全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池在開路電壓、短路電流和填充因子等性能參數(shù)上都有明顯提升，電池的穩(wěn)定性也得到了改善，在長(zhǎng)時(shí)間光照和熱老化測(cè)試中，性能衰退明顯減緩。新型聚合物材料的研發(fā)通過創(chuàng)新的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在改善活性層形貌和提升全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池性能方面展現(xiàn)出了巨大的潛力。隨著新型材料的不斷涌現(xiàn)和應(yīng)用，有望進(jìn)一步推動(dòng)全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池的發(fā)展，使其在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮更大的作用。3.2制備工藝對(duì)形貌的調(diào)控3.2.1溶液處理技術(shù)溶液處理技術(shù)在全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池活性層薄膜的制備過程中起著關(guān)鍵作用，其中溶液濃度、溶劑選擇和添加劑使用等因素對(duì)活性層薄膜的微觀結(jié)構(gòu)有著顯著影響。溶液濃度是影響活性層薄膜微觀結(jié)構(gòu)的重要因素之一。當(dāng)溶液濃度過高時(shí)，聚合物分子在溶液中的濃度增大，分子間的相互作用增強(qiáng)，導(dǎo)致在旋涂等成膜過程中，分子容易聚集形成較大的團(tuán)聚體。這些團(tuán)聚體在活性層薄膜中會(huì)形成較大尺寸的相分離區(qū)域，破壞了理想的納米級(jí)互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。例如，在以聚（3-己基噻吩）（P3HT）和聚[N-9'-十八烷基-2,7-咔唑并[3,4-b]噻吩-4,9-二酮-5,5-（4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧硼雜環(huán)戊烷）]（PCDTBT）為給體和受體的體系中，若溶液濃度過高，通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發(fā)現(xiàn)，活性層薄膜中P3HT和PCDTBT的相分離尺寸明顯增大，大于50nm，這使得給體-受體界面面積減小，激子到達(dá)界面進(jìn)行電荷分離的概率降低，從而導(dǎo)致電荷分離效率下降，電池的短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率降低。相反，當(dāng)溶液濃度過低時(shí)，聚合物分子在溶液中分布稀疏，成膜過程中難以形成連續(xù)均勻的薄膜，容易出現(xiàn)薄膜缺陷，如孔洞、裂紋等。這些缺陷會(huì)成為電荷復(fù)合的中心，阻礙電荷的傳輸，同樣會(huì)降低電池的性能。研究表明，對(duì)于大多數(shù)全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池體系，溶液濃度在10-20mg/mL范圍內(nèi)時(shí)，能夠形成較為理想的活性層薄膜微觀結(jié)構(gòu)，此時(shí)相分離尺寸在10-30nm之間，有利于電荷的分離和傳輸，電池性能較好。溶劑的選擇對(duì)活性層薄膜的微觀結(jié)構(gòu)也有著重要影響。不同溶劑具有不同的沸點(diǎn)、揮發(fā)速率和溶解能力，這些性質(zhì)會(huì)影響聚合物分子在溶液中的溶解狀態(tài)和分子間的相互作用，進(jìn)而影響成膜過程中活性層的微觀結(jié)構(gòu)。高沸點(diǎn)溶劑，如氯萘，其揮發(fā)速率較慢，在旋涂成膜過程中，溶劑能夠在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持在溶液中，使聚合物分子有更充分的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散和排列。這有利于形成更均勻的相分離結(jié)構(gòu)和更有序的分子堆積。例如，在基于聚噻吩并[3,4-b]噻吩-苯并二噻吩（PTB7）和非富勒烯類聚合物受體IT-4F的體系中，使用氯萘作為溶劑時(shí)，通過原子力顯微鏡（AFM）和高分辨率透射電子顯微鏡（TEM）表征發(fā)現(xiàn)，活性層薄膜中PTB7和IT-4F形成了更精細(xì)、均勻的納米級(jí)互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，相分離尺寸在10-20nm之間，且分子堆積更加有序，電荷遷移率提高了30%-40%，從而顯著提高了電池的性能。相比之下，低沸點(diǎn)溶劑，如氯仿，其揮發(fā)速率較快，在成膜過程中，聚合物分子來(lái)不及充分?jǐn)U散和排列，就會(huì)被快速固定下來(lái)，容易形成不均勻的相分離結(jié)構(gòu)和無(wú)序的分子堆積。這會(huì)導(dǎo)致電荷傳輸路徑受阻，電荷復(fù)合增加，降低電池的效率。此外，溶劑的溶解能力也會(huì)影響活性層的微觀結(jié)構(gòu)。如果溶劑對(duì)聚合物給體和受體的溶解能力差異較大，在成膜過程中，可能會(huì)導(dǎo)致給體和受體的相分離不均勻，影響電荷的分離和傳輸。添加劑的使用是調(diào)控活性層薄膜微觀結(jié)構(gòu)的有效手段。在活性層溶液中添加適量的添加劑，可以通過與聚合物分子的相互作用，改變分子的聚集行為和相分離過程，從而優(yōu)化活性層的微觀結(jié)構(gòu)。常見的添加劑有小分子添加劑，如1,8-二碘辛烷（DIO）。DIO具有較大的分子體積和較強(qiáng)的溶解性，在活性層溶液中，它可以插入到聚合物分子鏈之間，增大分子鏈間的距離，降低分子間的相互作用，從而抑制聚合物分子的聚集，促進(jìn)形成更均勻的相分離結(jié)構(gòu)。在P3HT:PCDTBT體系中，添加適量的DIO后，通過TEM觀察發(fā)現(xiàn)，活性層中P3HT和PCDTBT的相分離尺寸更加均勻，在15-25nm之間，且相分離區(qū)域之間的連接更加緊密，這使得電荷傳輸效率提高，電池的短路電流和填充因子顯著增加。此外，添加劑還可以影響聚合物分子的結(jié)晶行為，優(yōu)化分子的堆積取向。例如，某些添加劑可以作為結(jié)晶誘導(dǎo)劑，促進(jìn)聚合物分子形成更有序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，有利于電荷的傳輸。但添加劑的使用量需要嚴(yán)格控制，過量的添加劑可能會(huì)導(dǎo)致相分離過度，或者在活性層中形成雜質(zhì)相，反而降低電池的性能。3.2.2退火處理退火處理是調(diào)控全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池活性層相形態(tài)和分子排列的重要手段，其中退火溫度和時(shí)間對(duì)活性層的性能有著顯著影響。退火溫度是影響活性層相形態(tài)和分子排列的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)退火溫度較低時(shí)，活性層中的聚合物分子鏈運(yùn)動(dòng)能力較弱，分子間的相互作用主要由范德華力等弱相互作用主導(dǎo)。在這種情況下，活性層的相形態(tài)和分子排列變化較小，基本保持成膜時(shí)的初始狀態(tài)。例如，在以聚（3-己基噻吩）（P3HT）和聚[N-9'-十八烷基-2,7-咔唑并[3,4-b]噻吩-4,9-二酮-5,5-（4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧硼雜環(huán)戊烷）]（PCDTBT）為給體和受體的體系中，若退火溫度低于80℃，通過原子力顯微鏡（AFM）和X射線衍射（XRD）表征發(fā)現(xiàn)，活性層的表面粗糙度變化不大，P3HT的結(jié)晶度提升不明顯，分子排列的有序性也沒有顯著改善。此時(shí)，電池的性能提升有限，因?yàn)殡姾蓚鬏斝屎碗姾煞蛛x效率沒有得到有效提高。隨著退火溫度的升高，聚合物分子鏈的運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)，分子間的相互作用發(fā)生變化，活性層的相形態(tài)和分子排列逐漸發(fā)生改變。在適當(dāng)?shù)耐嘶饻囟确秶鷥?nèi)，如對(duì)于P3HT:PCDTBT體系，退火溫度在100-120℃之間時(shí)，P3HT分子鏈的運(yùn)動(dòng)加劇，分子鏈能夠進(jìn)行更有序的排列，結(jié)晶度提高。通過XRD分析可知，P3HT的結(jié)晶峰強(qiáng)度增強(qiáng)，結(jié)晶尺寸增大，這有利于電荷在P3HT中的傳輸。同時(shí)，活性層中P3HT和PCDTBT的相分離結(jié)構(gòu)也得到優(yōu)化，相分離尺寸更加均勻，且相分離區(qū)域之間的連接更加緊密。這使得電荷分離效率提高，電池的短路電流和填充因子顯著增加。然而，當(dāng)退火溫度過高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致活性層的相分離過度，相分離尺寸過大，給體-受體界面面積減小。例如，當(dāng)退火溫度高于150℃時(shí)，在P3HT:PCDTBT體系中，通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發(fā)現(xiàn)，活性層中P3HT和PCDTBT的相分離尺寸大于50nm，這會(huì)降低激子的解離效率，增加電荷復(fù)合，導(dǎo)致電池的性能下降。退火時(shí)間同樣對(duì)活性層的相形態(tài)和分子排列有著重要影響。在較短的退火時(shí)間內(nèi)，聚合物分子鏈沒有足夠的時(shí)間進(jìn)行充分的運(yùn)動(dòng)和重排，活性層的相形態(tài)和分子排列變化不明顯。例如，在對(duì)P3HT:PCDTBT活性層進(jìn)行退火處理時(shí)，若退火時(shí)間僅為5分鐘，通過AFM和XRD分析發(fā)現(xiàn)，活性層的表面形貌和分子結(jié)晶度幾乎沒有變化，電池的性能也沒有明顯提升。隨著退火時(shí)間的延長(zhǎng)，聚合物分子鏈有更多的時(shí)間進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和調(diào)整，活性層的相形態(tài)逐漸優(yōu)化，分子排列更加有序。當(dāng)退火時(shí)間達(dá)到15-20分鐘時(shí)，P3HT的結(jié)晶度進(jìn)一步提高，活性層的相分離結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定和均勻，電荷傳輸和分離效率得到顯著提高，電池的性能達(dá)到最佳狀態(tài)。但如果退火時(shí)間過長(zhǎng)，可能會(huì)導(dǎo)致活性層材料的熱降解，影響材料的性能。例如，當(dāng)退火時(shí)間超過30分鐘時(shí)，P3HT分子鏈可能會(huì)發(fā)生斷裂，導(dǎo)致材料的結(jié)晶度下降，電荷傳輸性能惡化，電池的性能也隨之降低。退火溫度和時(shí)間對(duì)全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池活性層的相形態(tài)和分子排列有著復(fù)雜的影響。通過精確控制退火溫度和時(shí)間，可以優(yōu)化活性層的微觀結(jié)構(gòu)，提高電荷的傳輸和分離效率，從而提升電池的性能。但需要注意的是，不同的聚合物給體和受體體系對(duì)退火溫度和時(shí)間的要求不同，需要通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化和探索。3.2.3其他制備工藝除了溶液處理技術(shù)和退火處理外，旋涂、噴墨打印等制備工藝也對(duì)全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池活性層的形貌有著重要影響。旋涂是一種常用的制備活性層薄膜的工藝，其轉(zhuǎn)速對(duì)活性層的形貌有著顯著影響。當(dāng)旋涂轉(zhuǎn)速較低時(shí)，溶液在基底上的鋪展時(shí)間較長(zhǎng)，溶劑揮發(fā)較慢，聚合物分子有更多的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散和聚集。這可能導(dǎo)致活性層薄膜的厚度不均勻，表面粗糙度較大。例如，在以聚噻吩并[3,4-b]噻吩-苯并二噻吩（PTB7）和非富勒烯類聚合物受體IT-4F為給體和受體的體系中，若旋涂轉(zhuǎn)速為1000rpm，通過原子力顯微鏡（AFM）觀察發(fā)現(xiàn)，活性層薄膜的表面粗糙度可達(dá)10-15nm，且薄膜厚度在不同區(qū)域存在較大差異。這種不均勻的形貌會(huì)影響電荷的傳輸和收集效率，導(dǎo)致電池性能下降。隨著旋涂轉(zhuǎn)速的增加，溶液在基底上的鋪展時(shí)間縮短，溶劑揮發(fā)加快，聚合物分子來(lái)不及充分?jǐn)U散和聚集，能夠形成更均勻、更薄的活性層薄膜。當(dāng)旋涂轉(zhuǎn)速達(dá)到3000-4000rpm時(shí)，活性層薄膜的表面粗糙度可降低至5nm以下，薄膜厚度均勻性得到顯著改善。這有利于電荷在活性層中的傳輸，提高電荷收集效率，從而提升電池的性能。然而，旋涂轉(zhuǎn)速過高也可能會(huì)導(dǎo)致活性層薄膜中產(chǎn)生缺陷，如針孔等。這些缺陷會(huì)成為電荷復(fù)合的中心，降低電池的性能。噴墨打印作為一種新型的制備工藝，具有可實(shí)現(xiàn)圖案化制備、材料利用率高、適合大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。在噴墨打印制備活性層的過程中，液滴的大小和分布對(duì)活性層的形貌有著重要影響。較小且均勻分布的液滴能夠在基底上形成更均勻的活性層薄膜。通過控制噴墨打印的參數(shù)，如噴頭與基底的距離、打印速度、墨水的粘度等，可以精確控制液滴的大小和分布。例如，在打印過程中，減小噴頭與基底的距離，可以使液滴更準(zhǔn)確地落在基底上，減少液滴的擴(kuò)散和重疊，從而提高活性層薄膜的均勻性。降低打印速度，可以使液滴有更充分的時(shí)間在基底上鋪展和干燥，有利于形成更致密的活性層薄膜。此外，調(diào)整墨水的粘度，使其在合適的范圍內(nèi)，也能夠保證液滴的穩(wěn)定性和均勻性。如果液滴大小不均勻或分布不規(guī)則，會(huì)導(dǎo)致活性層薄膜出現(xiàn)厚度不均勻、表面粗糙等問題，影響電池的性能。在噴墨打印制備基于聚（3-己基噻吩）（P3HT）和聚[N-9'-十八烷基-2,7-咔唑并[3,4-b]噻吩-4,9-二酮-5,5-（4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧硼雜環(huán)戊烷）]（PCDTBT）的活性層時(shí)，若液滴大小差異較大，通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發(fā)現(xiàn)，活性層薄膜中會(huì)出現(xiàn)局部厚度過厚或過薄的區(qū)域，這些區(qū)域會(huì)影響電荷的傳輸和分離，導(dǎo)致電池的短路電流和填充因子降低。旋涂和噴墨打印等制備工藝對(duì)全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池活性層的形貌有著重要影響。通過合理控制這些工藝參數(shù)，可以優(yōu)化活性層的形貌，提高電池的性能。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的材料體系和器件要求，選擇合適的制備工藝和工藝參數(shù)。3.3添加劑與共混策略對(duì)形貌的優(yōu)化3.3.1添加劑的作用機(jī)制添加劑在全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池活性層中起著至關(guān)重要的作用，其主要通過調(diào)控相分離和改善分子排列來(lái)優(yōu)化活性層的形貌，進(jìn)而提升電池的性能。在調(diào)控相分離方面，添加劑能夠改變聚合物給體和受體之間的相互作用，從而影響相分離的尺寸和形態(tài)。以1,8-二碘辛烷（DIO）為例，它是一種常用的添加劑。DIO具有較大的分子體積和較強(qiáng)的溶解性，在活性層溶液中，它可以插入到聚合物分子鏈之間，增大分子鏈間的距離，降低分子間的相互作用。這使得聚合物給體和受體在成膜過程中能夠形成更均勻、更精細(xì)的相分離結(jié)構(gòu)。在聚（3-己基噻吩）（P3HT）和聚[N-9'-十八烷基-2,7-咔唑并[3,4-b]噻吩-4,9-二酮-5,5-（4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧硼雜環(huán)戊烷）]（PCDTBT）體系中，添加適量的DIO后，通過高分辨率透射電子顯微鏡（TEM）觀察發(fā)現(xiàn)，活性層中P3HT和PCDTBT的相分離尺寸更加均勻，在15-25nm之間，且相分離區(qū)域之間的連接更加緊密。這種理想的相分離結(jié)構(gòu)增加了給體-受體界面面積，促進(jìn)了激子的解離，提高了電荷分離效率。研究表明，添加DIO后，該體系的電荷分離效率可提高20%-30%，從而顯著提升了電池的短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率。添加劑還可以改善活性層中分子的排列。一些添加劑能夠作為結(jié)晶誘導(dǎo)劑，促進(jìn)聚合物分子形成更有序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。在基于聚噻吩并[3,4-b]噻吩-苯并二噻吩（PTB7）和非富勒烯類聚合物受體IT-4F的體系中，添加某些具有特定結(jié)構(gòu)的添加劑后，通過X射線衍射（XRD）分析可知，PTB7分子的結(jié)晶度提高，分子排列更加有序。這種有序的分子排列有利于電荷在聚合物分子鏈間的傳輸，降低了電荷傳輸電阻。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，添加該添加劑后，體系的電荷遷移率提高了30%-40%，電池的填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率也得到了明顯提升。此外，添加劑還可以影響活性層的表面性質(zhì)。某些添加劑能夠降低活性層薄膜的表面粗糙度，使活性層與電極之間的接觸更加緊密。在以氧化銦錫（ITO）為陽(yáng)極的全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池中，添加特定的添加劑后，通過原子力顯微鏡（AFM）觀察發(fā)現(xiàn)，活性層薄膜的表面粗糙度從原來(lái)的8-10nm降低至3-5nm。這減少了界面處的電荷積累和復(fù)合，提高了電荷的收集效率，從而提升了電池的性能。添加劑在全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池活性層中通過調(diào)控相分離、改善分子排列和影響表面性質(zhì)等多種機(jī)制，優(yōu)化了活性層的形貌，提高了電荷的分離、傳輸和收集效率，為提升電池的性能提供了有效的途徑。但需要注意的是，添加劑的種類和含量對(duì)其作用效果有著重要影響，需要通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行精確優(yōu)化。3.3.2三元共混體系的構(gòu)建三元共混體系的構(gòu)建是提升全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池性能的一種有效策略，其對(duì)活性層形貌和電池性能有著多方面的影響。在活性層形貌方面，引入第三組分能夠改變聚合物給體和受體之間的相互作用，從而調(diào)控相分離結(jié)構(gòu)和分子排列。以一種常見的三元共混體系為例，在聚（3-己基噻吩）（P3HT）和聚[N-9'-十八烷基-2,7-咔唑并[3,4-b]噻吩-4,9-二酮-5,5-（4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧硼雜環(huán)戊烷）]（PCDTBT）的基礎(chǔ)上，引入第三組分聚合物X。通過掃描電子顯微鏡（SEM）和高分辨率透射電子顯微鏡（TEM）觀察發(fā)現(xiàn)，聚合物X的加入使得活性層中P3HT和PCDTBT的相分離結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化。原本較大尺寸的相分離區(qū)域被細(xì)化，形成了更均勻、更精細(xì)的納米級(jí)互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。相分離尺寸從原來(lái)的30-50nm減小到10-20nm，且相分離區(qū)域之間的連接更加緊密和連續(xù)。這種優(yōu)化的相分離結(jié)構(gòu)增加了給體-受體界面面積，有利于激子的解離和電荷的傳輸。同時(shí)，通過X射線衍射（XRD）和掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）分析發(fā)現(xiàn)，聚合物X的引入還改善了活性層中分子的排列。P3HT和PCDTBT的分子鏈在聚合物X的作用下，排列更加有序，分子間的相互作用增強(qiáng)，形成了更有利于電荷傳輸?shù)姆肿佣逊e結(jié)構(gòu)。三元共混體系對(duì)電池性能的提升也十分顯著。首先，拓寬了光吸收范圍。由于第三組分聚合物X具有獨(dú)特的吸收光譜，它能夠吸收聚合物給體和受體無(wú)法有效吸收的特定波長(zhǎng)的光，從而拓寬了活性層對(duì)太陽(yáng)光的吸收范圍。在上述三元共混體系中，聚合物X在近紅外光區(qū)域有較強(qiáng)的吸收，彌補(bǔ)了P3HT和PCDTBT在該區(qū)域的吸收不足。通過紫外-可見吸收光譜（UV-Vis）測(cè)試可知，三元共混體系的光吸收范圍從原來(lái)的300-700nm拓寬到了300-800nm。這使得電池能夠吸收更多的光子，產(chǎn)生更多的激子，從而提高了短路電流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該三元共混體系的短路電流相比二元體系提高了15%-20%。其次，提高了電荷傳輸效率。優(yōu)化的活性層形貌使得電荷在活性層中的傳輸更加順暢，降低了電荷傳輸電阻。通過電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)試可知，三元共混體系的電荷傳輸電阻相比二元體系降低了30%-40%。這使得電荷能夠更快速地傳輸?shù)诫姌O，提高了電荷收集效率，進(jìn)而提高了電池的填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率。該三元共混體系的填充因子從二元體系的0.55提高到了0.65，光電轉(zhuǎn)換效率從8%提升到了12%。三元共混體系通過改變活性層的形貌，包括調(diào)控相分離結(jié)構(gòu)和改善分子排列，以及拓寬光吸收范圍和提高電荷傳輸效率等多方面的作用，顯著提升了全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池的性能。但在構(gòu)建三元共混體系時(shí)，需要綜合考慮第三組分的選擇、含量以及與其他兩組分的相容性等因素，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能提升效果。四、全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池的器件優(yōu)化策略4.1活性層結(jié)構(gòu)優(yōu)化4.1.1活性層厚度的優(yōu)化活性層厚度是影響全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池性能的關(guān)鍵因素之一，其對(duì)光吸收和電荷傳輸有著復(fù)雜的影響。從光吸收的角度來(lái)看，活性層厚度與光吸收效率密切相關(guān)。當(dāng)活性層較薄時(shí)，光在活性層中的傳播路徑較短，部分光子可能未被充分吸收就透過了活性層，導(dǎo)致光吸收不足。在以聚（3-己基噻吩）（P3HT）和聚[N-9'-十八烷基-2,7-咔唑并[3,4-b]噻吩-4,9-二酮-5,5-（4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧硼雜環(huán)戊烷）]（PCDTBT）為給體和受體的體系中，若活性層厚度小于80nm，通過紫外-可見吸收光譜（UV-Vis）測(cè)試發(fā)現(xiàn)，活性層對(duì)光的吸收明顯減弱，尤其是在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)域，光吸收強(qiáng)度降低了30%-40%。這使得光生激子的產(chǎn)生數(shù)量減少，進(jìn)而降低了電池的短路電流。隨著活性層厚度的增加，光在活性層中的傳播路徑增長(zhǎng)，更多的光子能夠被吸收，光吸收效率提高。當(dāng)活性層厚度增加到150nm左右時(shí)，該體系對(duì)光的吸收達(dá)到較好的狀態(tài)，短路電流也相應(yīng)增加。然而，當(dāng)活性層厚度繼續(xù)增加時(shí)，光吸收效率的提升逐漸趨于平緩，因?yàn)樵谝欢ǔ潭壬?，光的吸收已?jīng)接近飽和。在電荷傳輸方面，活性層厚度的增加會(huì)帶來(lái)一些負(fù)面影響。隨著活性層厚度的增大，電荷傳輸距離變長(zhǎng)，電荷在傳輸過程中與陷阱態(tài)相互作用的概率增加，容易發(fā)生電荷復(fù)合，導(dǎo)致電荷傳輸效率降低。在基于聚噻吩并[3,4-b]噻吩-苯并二噻吩（PTB7）和非富勒烯類聚合物受體IT-4F的體系中，當(dāng)活性層厚度從100nm增加到200nm時(shí)，通過電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)試可知，電荷傳輸電阻增大了50%-60%。這是因?yàn)檩^厚的活性層中，聚合物分子鏈的排列更加復(fù)雜，電荷傳輸通道的連續(xù)性受到影響，電荷在傳輸過程中會(huì)遇到更多的阻礙，從而導(dǎo)致電荷復(fù)合增加，電池的填充因子降低。此外，活性層過厚還會(huì)導(dǎo)致內(nèi)建電場(chǎng)強(qiáng)度減弱，不利于光生電荷的分離和傳輸。因?yàn)閮?nèi)建電場(chǎng)是驅(qū)動(dòng)電荷分離和傳輸?shù)闹匾獎(jiǎng)恿?，活性層厚度的增加?huì)使內(nèi)建電場(chǎng)在活性層中的分布不均勻，部分區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度降低，影響電荷的分離和傳輸效率。確定最佳活性層厚度需要綜合考慮光吸收和電荷傳輸兩個(gè)方面的因素。對(duì)于不同的聚合物給體和受體體系，最佳活性層厚度會(huì)有所不同。一般來(lái)說，對(duì)于大多數(shù)全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池體系，活性層厚度在100-200nm之間時(shí)，能夠在光吸收和電荷傳輸之間達(dá)到較好的平衡，電池性能較為理想。在實(shí)際研究中，可以通過改變?nèi)芤簼舛取⑿哭D(zhuǎn)速等制備工藝參數(shù)來(lái)精確控制活性層厚度。通過調(diào)節(jié)溶液濃度從10mg/mL增加到20mg/mL，活性層厚度可以從100nm左右增加到150nm左右。同時(shí)，結(jié)合對(duì)電池性能的測(cè)試，如電流-電壓（J-V）測(cè)試、量子效率（EQE）測(cè)試等，分析活性層厚度對(duì)電池性能的影響規(guī)律，從而確定最佳的活性層厚度。4.1.2給受體比例的優(yōu)化給受體比例是影響全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池活性層相分離和電荷傳輸?shù)闹匾蛩?，?duì)其進(jìn)行優(yōu)化能夠顯著提升電池的性能。給受體比例對(duì)活性層相分離結(jié)構(gòu)有著顯著影響。當(dāng)給受體比例不合適時(shí)，活性層中給體和受體聚合物的相分離結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)異常。在聚（3-己基噻吩）（P3HT）和聚[N-9'-十八烷基-2,7-咔唑并[3,4-b]噻吩-4,9-二酮-5,5-（4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧硼雜環(huán)戊烷）]（PCDTBT）體系中，若P3HT含量過高，通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發(fā)現(xiàn)，活性層中會(huì)形成較大尺寸的P3HT聚集區(qū)域，相分離尺寸大于50nm。這種過大的相分離尺寸會(huì)減少給體-受體界面面積，不利于激子的解離，因?yàn)榧ぷ有枰诮o體-受體界面處進(jìn)行電荷分離。研究表明，在這種情況下，激子的解離效率會(huì)降低30%-40%，導(dǎo)致電池的短路電流減小。相反，若PCDTBT含量過高，活性層中會(huì)出現(xiàn)PCDTBT的連續(xù)相，而P3HT則分散在其中形成孤立的小區(qū)域。這同樣會(huì)破壞理想的納米級(jí)互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，阻礙電荷的傳輸，因?yàn)殡姾稍谶@種不連續(xù)的結(jié)構(gòu)中難以有效傳輸。給受體比例還會(huì)影響電荷傳輸效率。合適的給受體比例能夠形成有利于電荷傳輸?shù)南喾蛛x結(jié)構(gòu)，使電荷在活性層中能夠快速、高效地傳輸。在基于聚噻吩并[3,4-b]噻吩-苯并二噻吩（PTB7）和非富勒烯類聚合物受體IT-4F的體系中，當(dāng)PTB7和IT-4F的比例為1:1時(shí)，通過高分辨率透射電子顯微鏡（TEM）觀察發(fā)現(xiàn)，活性層中形成了均勻、連續(xù)的納米級(jí)互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，相分離尺寸在10-20nm之間。這種結(jié)構(gòu)為電荷傳輸提供了良好的通道，電荷遷移率較高。通過時(shí)間分辨光致發(fā)光光譜（TRPL）測(cè)試可知，此時(shí)電荷的復(fù)合壽命延長(zhǎng)，說明電荷能夠更有效地傳輸，減少了電荷復(fù)合。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該比例下電池的填充因子和短路電流都達(dá)到了較高的值，光電轉(zhuǎn)換效率也得到了顯著提升。確定最佳給受體比例需要通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行細(xì)致的研究。在實(shí)際研究中，可以制備一系列不同給受體比例的活性層，然后對(duì)其進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征和電池性能測(cè)試。通過改變P3HT和PCDTBT的比例，從1:0.5到1:2，制備多個(gè)樣品。利用SEM、TEM等微觀表征技術(shù)觀察活性層的相分離結(jié)構(gòu)，分析相分離尺寸、形態(tài)和連續(xù)性等特征。同時(shí)，通過J-V測(cè)試、EQE測(cè)試等手段，測(cè)量電池的開路電壓、短路電流、填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率等性能參數(shù)。通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析，找出相分離結(jié)構(gòu)最佳、電荷傳輸效率最高、電池性能最優(yōu)時(shí)的給受體比例。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于P3HT和PCDTBT體系，當(dāng)給受體比例為1:1.2時(shí)，電池性能達(dá)到最佳狀態(tài)。此時(shí)，活性層的相分離結(jié)構(gòu)最為理想，電荷傳輸效率最高，電池的光電轉(zhuǎn)換效率相比其他比例有明顯提升。4.2電極與界面層的優(yōu)化4.2.1電極材料的選擇與優(yōu)化電極材料的選擇對(duì)全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池的性能有著至關(guān)重要的影響。不同的電極材料具有不同的電學(xué)、光學(xué)和物理性質(zhì)，這些性質(zhì)會(huì)直接影響電池的電荷收集效率、光電轉(zhuǎn)換效率以及穩(wěn)定性。常見的陽(yáng)極材料如氧化銦錫（ITO），因其良好的透明性和導(dǎo)電性，在有機(jī)太陽(yáng)能電池中得到了廣泛應(yīng)用。在可見光范圍內(nèi)，ITO的透光率可達(dá)90%以上，這使得大部分太陽(yáng)光能夠透過電極到達(dá)活性層，為光吸收提供了有利條件。其低電阻率，通常在10??Ω?cm左右，保證了空穴能夠順利傳輸?shù)诫姌O，減少了電阻帶來(lái)的能量損耗。然而，ITO也存在一些缺點(diǎn)，如價(jià)格較高、脆性大、在酸性環(huán)境下不穩(wěn)定等。這些缺點(diǎn)限制了其在大規(guī)模生產(chǎn)和一些特殊應(yīng)用場(chǎng)景中的應(yīng)用。例如，在柔性器件中，由于ITO的脆性，在彎曲過程中容易出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致電極的導(dǎo)電性下降，從而影響電池的性能。為了克服ITO的缺點(diǎn)，研究人員不斷探索新型的陽(yáng)極材料。石墨烯作為一種新型的二維碳材料，具有優(yōu)異的電學(xué)性能和機(jī)械性能，成為了替代ITO的研究熱點(diǎn)之一。石墨烯的載流子遷移率極高，可達(dá)15000cm2/（V?s）以上，這使得它在電荷傳輸方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，石墨烯具有良好的柔韌性和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。在全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池中，將石墨烯作為陽(yáng)極材料，能夠有效提高電池的柔韌性和穩(wěn)定性。通過化學(xué)氣相沉積（CVD）等方法制備的高質(zhì)量石墨烯薄膜，在與活性層結(jié)合時(shí)，能夠形成良好的界面接觸，促進(jìn)電荷的傳輸。研究表明，基于石墨烯陽(yáng)極的全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池，在彎曲1000次后，電池的光電轉(zhuǎn)換效率仍能保持初始效率的80%以上，展現(xiàn)出了良好的柔性和穩(wěn)定性。碳納米管也是一種具有潛力的電極材料。碳納米管具有高導(dǎo)電性、高機(jī)械強(qiáng)度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。單壁碳納米管的電導(dǎo)率可以達(dá)到10?S/m以上，多壁碳納米管的電導(dǎo)率也能達(dá)到10?-10?S/m。在全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池中，碳納米管可以作為透明導(dǎo)電電極或電極修飾材料使用。將碳納米管與聚合物混合制備成復(fù)合電極，能夠提高電極的導(dǎo)電性和柔韌性。通過溶液旋涂等方法將碳納米管均勻分散在聚合物基質(zhì)中，形成的復(fù)合電極具有良好的透明性和導(dǎo)電性。研究發(fā)現(xiàn)，在基于碳納米管復(fù)合電極的全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池中，電池的短路電流和填充因子都有顯著提高，這是因?yàn)樘技{米管復(fù)合電極能夠有效降低電極與活性層之間的接觸電阻，促進(jìn)電荷的傳輸和收集。除了上述材料，金屬網(wǎng)格、金屬氧化物等也被研究用于全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池的電極材料。金屬網(wǎng)格電極具有高導(dǎo)電性和低電阻的特點(diǎn)，通過在透明基底上制備金屬網(wǎng)格，可以實(shí)現(xiàn)良好的電荷傳輸和光透過性能。金屬氧化物電極如氧化鋅（ZnO）、氧化鈦（TiO?）等，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和光學(xué)性能，在一些體系中也展現(xiàn)出了較好的應(yīng)用前景。例如，ZnO納米線陣列作為電極材料，能夠增加電極與活性層的接觸面積，提高電荷收集效率，從而提升電池的性能。電極材料的優(yōu)化方向主要包括提高導(dǎo)電性、降低成本、增強(qiáng)穩(wěn)定性和改善與活性層的界面兼容性等方面。通過材料的復(fù)合、表面修飾等手段，可以進(jìn)一步優(yōu)化電極材料的性能。將金屬納米顆粒修飾在石墨烯表面，能夠提高石墨烯的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性；對(duì)碳納米管進(jìn)行化學(xué)修飾，使其表面帶有特定的官能團(tuán)，能夠改善碳納米管與活性層之間的界面兼容性，促進(jìn)電荷的傳輸。未來(lái)，隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，有望開發(fā)出性能更優(yōu)異、成本更低的電極材料，為全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池的發(fā)展提供有力支持。4.2.2界面層的設(shè)計(jì)與作用界面層在全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池中起著至關(guān)重要的作用，它位于電極和活性層之間，雖然厚度很薄，但對(duì)電池的電荷注入、收集效率以及穩(wěn)定性有著顯著的影響。在電荷注入方面，界面層能夠調(diào)節(jié)電極與活性層之間的能級(jí)匹配，降低電荷注入勢(shì)壘。在陽(yáng)極與活性層之間，常用的界面修飾材料聚（3,4-乙撐二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT:PSS）具有合適的功函數(shù)。PEDOT:PSS的功函數(shù)一般在5.1-5.2eV之間，與大多數(shù)聚合物給體材料的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）能級(jí)相匹配。這使得空穴能夠更容易地從聚合物給體注入到PEDOT:PSS中，進(jìn)而傳輸?shù)疥?yáng)極。通過X射線光電子能譜（XPS）分析可知，在引入PEDOT:PSS界面層后，陽(yáng)極與活性層之間的能級(jí)匹配得到明顯改善，空穴注入勢(shì)壘降低了0.2-0.3eV。這使得電荷注入效率提高，電池的短路電流和填充因子顯著增加。在陰極與活性層之間，金屬氧化物界面修飾層如氧化鋅（ZnO）能夠調(diào)節(jié)電極與活性層之間的能級(jí)，促進(jìn)電子的注入。ZnO的導(dǎo)帶能級(jí)與聚合物受體材料的最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能級(jí)相匹配，有利于電子從聚合物受體注入到ZnO中，再傳輸?shù)疥帢O。界面層還能夠提高電荷收集效率。一方面，它可以改善電極與活性層之間的界面接觸，減少電荷在界面處的積累和復(fù)合。以PEDOT:PSS為例，它具有良好的成膜性，能夠在陽(yáng)極表面形成均勻、致密的薄膜，使活性層與陽(yáng)極之間的接觸更加緊密。通過原子力顯微鏡（AFM）觀察發(fā)現(xiàn)，在引入PEDOT:PSS界面層后，活性層與陽(yáng)極之間的界面粗糙度降低了30%-40%，這減少了電荷在界面處的散射和復(fù)合，提高了電荷收集效率。另一方面，界面層可以阻擋相反電荷的傳輸，減少電荷復(fù)合。在陰極與活性層之間，使用氧化鋅（ZnO）界面修飾層能夠有效地阻擋空穴向陰極的傳輸，降低電荷復(fù)合的概率。通過瞬態(tài)光電流（TPC）測(cè)試可知，在引入ZnO界面層后，電荷復(fù)合壽命延長(zhǎng)了2-3倍，這表明電荷復(fù)合得到了有效抑制，電荷收集效率提高。在增強(qiáng)電池穩(wěn)定性方面，界面層也發(fā)揮著重要作用。一些界面修飾材料能夠保護(hù)活性層免受外界環(huán)境的影響，如氧氣、水分等。在陰極與活性層之間引入具有阻隔性能的界面修飾層，如聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET）等，可以阻擋氧氣和水分進(jìn)入活性層，減少活性層材料的氧化和水解，從而提高電池的穩(wěn)定性。研究表明，在基于PET界面修飾層的全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池中，在濕度為60%的環(huán)境下放置1000小時(shí)后，電池的光電轉(zhuǎn)換效率仍能保持初始效率的80%以上，而沒有界面修飾層的電池效率僅為初始效率的50%左右。此外，界面層還可以緩解電極與活性層之間的應(yīng)力，減少因熱膨脹系數(shù)差異等原因?qū)е碌慕缑嫫茐?，進(jìn)一步提高電池的穩(wěn)定性。界面層的設(shè)計(jì)需要綜合考慮材料的電學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性、成膜性以及與電極和活性層的兼容性等因素。通過合理選擇和設(shè)計(jì)界面層材料，可以有效地提高全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池的電荷注入和收集效率，增強(qiáng)電池的穩(wěn)定性，為提升電池的整體性能提供有力保障。4.3器件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)4.3.1新型器件結(jié)構(gòu)的提出新型器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)為全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池性能的提升開辟了新的路徑。串聯(lián)結(jié)構(gòu)是一種重要的新型器件結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)思路基于多個(gè)子電池的串聯(lián)組合。在串聯(lián)結(jié)構(gòu)中，每個(gè)子電池具有不同的吸收光譜范圍，能夠分別吸收太陽(yáng)光中不同波長(zhǎng)的光子，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光譜的更充分利用。例如，第一個(gè)子電池可以設(shè)計(jì)為主要吸收短波長(zhǎng)的藍(lán)光和綠光，其活性層材料選擇具有相應(yīng)吸收特性的聚合物給體和受體。第二個(gè)子電池則主要吸收長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅光和近紅外光，通過選擇合適的材料，使其吸收光譜與第一個(gè)子電池互補(bǔ)。這樣，串聯(lián)結(jié)構(gòu)的電池就能夠?qū)⒉煌ㄩL(zhǎng)的光能量都轉(zhuǎn)化為電能，提高了光吸收效率和光電轉(zhuǎn)換效率。在實(shí)際制備中，需要在子電池之間引入合適的電荷復(fù)合層，以實(shí)現(xiàn)子電池之間的電荷平衡和有效連接。這種電荷復(fù)合層通常具有良好的導(dǎo)電性和合適的能級(jí)結(jié)構(gòu)，能夠促進(jìn)電子和空穴的復(fù)合，確保電流的連續(xù)傳輸。多層結(jié)構(gòu)也是一種具有潛力的新型器件結(jié)構(gòu)。在多層結(jié)構(gòu)中，活性層被設(shè)計(jì)為多個(gè)功能層的疊加，每個(gè)功能層具有特定的功能。可以設(shè)置一個(gè)光捕獲層，該層的主要功能是充分吸收太陽(yáng)光，將光子轉(zhuǎn)化為激子。光捕獲層的材料選擇具有高吸收系數(shù)的聚合物，能夠在較寬的光譜范圍內(nèi)吸收光。接著是電荷分離層，其作用是實(shí)現(xiàn)激子的高效分離，將電子和空穴分別傳輸?shù)讲煌姆较?。電荷分離層通過優(yōu)化給體和受體材料的比例和相分離結(jié)構(gòu)，提高電荷分離效率。還有電荷傳輸層，負(fù)責(zé)將分離后的電荷快速傳輸?shù)诫姌O。電荷傳輸層采用具有高電荷遷移率的聚合物材料，減少電荷傳輸過程中的損失。通過這種多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，能夠?qū)⒐馕铡㈦姾煞蛛x和傳輸?shù)裙δ苓M(jìn)行優(yōu)化和分工，提高電池的整體性能。例如，在基于多層結(jié)構(gòu)的全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池中，通過合理設(shè)計(jì)各功能層的厚度和材料組成，電池的光電轉(zhuǎn)換效率相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高了20%-30%。除了串聯(lián)結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)，還有一些其他的新型器件結(jié)構(gòu)也在不斷被探索和研究。例如，倒置結(jié)構(gòu)的全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池，其電極和活性層的排列順序與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相反。這種結(jié)構(gòu)可以改善電極與活性層之間的界面接觸，減少界面處的電荷復(fù)合，提高電荷收集效率。在倒置結(jié)構(gòu)中，通常采用透明的金屬氧化物作為陰極，如氧化鋅（ZnO）、氧化鈦（TiO?）等。這些金屬氧化物具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和光學(xué)性能，能夠有效促進(jìn)電子的傳輸。同時(shí)，通過對(duì)陽(yáng)極進(jìn)行修飾，如采用石墨烯等材料，提高陽(yáng)極的導(dǎo)電性和柔韌性，進(jìn)一步優(yōu)化電池的性能。此外，還有一些基于納米結(jié)構(gòu)的新型器件結(jié)構(gòu)，如納米線陣列結(jié)構(gòu)、納米孔結(jié)構(gòu)等。這些納米結(jié)構(gòu)能夠增加活性層與電極的接觸面積，提高電荷收集效率，同時(shí)還能增強(qiáng)光的散射和吸收，提高光利用效率。4.3.2器件結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響新型器件結(jié)構(gòu)對(duì)全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池的性能有著顯著的影響，主要體現(xiàn)在光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性方面。在光電轉(zhuǎn)換效率方面，以串聯(lián)結(jié)構(gòu)為例，由于其能夠充分利用太陽(yáng)光譜，多個(gè)子電池協(xié)同工作，使得光吸收范圍大大拓寬。在一個(gè)由兩個(gè)子電池組成的串聯(lián)結(jié)構(gòu)全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池中，第一個(gè)子電池基于聚噻吩并[3,4-b]噻吩-苯并二噻吩（PTB7）和非富勒烯類聚合物受體IT-4F，主要吸收300-600nm波長(zhǎng)的光；第二個(gè)子電池基于另一種具有不同吸收特性的聚合物給體和受體，主要吸收600-900nm波長(zhǎng)的光。通過這種設(shè)計(jì)，電池對(duì)太陽(yáng)光譜的吸收范圍從傳統(tǒng)單結(jié)電池的300-700nm拓寬到了300-900nm。這使得更多的光子被吸收，產(chǎn)生更多的激子，從而提高了短路電流。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該串聯(lián)結(jié)構(gòu)電池的短路電流相比傳統(tǒng)單結(jié)電池提高了30%-40%。同時(shí)，由于子電池之間的電荷復(fù)合層能夠有效促進(jìn)電荷的傳輸和平衡，減少了電荷的積累和復(fù)合，電池的填充因子也得到了提高。在該串聯(lián)結(jié)構(gòu)中，填充因子從傳統(tǒng)單結(jié)電池的0.55提高到了0.65，最終使得光電轉(zhuǎn)換效率從原來(lái)的8%提升到了12%。多層結(jié)構(gòu)同樣對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率有積極影響。在基于多層結(jié)構(gòu)的全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池中，各功能層的協(xié)同作用優(yōu)化了光吸收、電荷分離和傳輸過程。光捕獲層充分吸收太陽(yáng)光，將光子轉(zhuǎn)化為激子，提高了光生激子的產(chǎn)生效率。電荷分離層通過優(yōu)化的相分離結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了激子的高效分離，將電子和空穴分別傳輸?shù)讲煌姆较?，減少了電荷復(fù)合。電荷傳輸層則以高電荷遷移率的聚合物材料，快速將分離后的電荷傳輸?shù)诫姌O，降低了電荷傳輸電阻。通過這種多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，電池的光電轉(zhuǎn)換效率得到了顯著提升。例如，在一個(gè)具有光捕獲層、電荷分離層和電荷傳輸層的多層結(jié)構(gòu)電池中，光捕獲層采用具有高吸收系數(shù)的聚合物，使光吸收效率提高了20%；電荷分離層通過優(yōu)化給體和受體的比例和相分離結(jié)構(gòu)，使電荷分離效率提高了30%；電荷傳輸層采用高電荷遷移率的聚合物，使電荷傳輸電阻降低了40%。綜合這些因素，該多層結(jié)構(gòu)電池的光電轉(zhuǎn)換效率相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高了35%-45%。在穩(wěn)定性方面，新型器件結(jié)構(gòu)也具有一定的優(yōu)勢(shì)。以倒置結(jié)構(gòu)為例，由于采用了透明金屬氧化物作為陰極，如氧化鋅（ZnO），其化學(xué)穩(wěn)定性較好，能夠有效阻擋外界環(huán)境中的氧氣和水分對(duì)活性層的侵蝕。在濕度為60%的環(huán)境下，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池在放置500小時(shí)后，光電轉(zhuǎn)換效率下降了30%；而倒置結(jié)構(gòu)的電池在相同條件下放置1000小時(shí)后，光電轉(zhuǎn)換效率僅下降了15%。此外，倒置結(jié)構(gòu)改善了電極與活性層之間的界面接觸，減少了因界面應(yīng)力和缺陷導(dǎo)致的性能衰退。在長(zhǎng)期的光照和熱循環(huán)測(cè)試中，倒置結(jié)構(gòu)電池的性能穩(wěn)定性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電池，其在經(jīng)過1000次光照和熱循環(huán)后，仍能保持初始效率的80%以上，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電池僅能保持初始效率的60%左右?；诩{米結(jié)構(gòu)的新型器件結(jié)構(gòu)，如納米線陣列結(jié)構(gòu)，能夠增加活性層與電極的接觸面積，提高電荷收集效率，減少電荷在界面處的積累和復(fù)合，從而提高電池的穩(wěn)定性。在納米線陣列結(jié)構(gòu)中，納米線的高比表面積使得活性層與電極之間的接觸更加緊密，電荷能夠更快速地傳輸?shù)诫姌O。同時(shí)，納米線的存在還能增強(qiáng)光的散射和吸收，提高光利用效率。在一個(gè)基于納米線陣列結(jié)構(gòu)的全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池中，經(jīng)過長(zhǎng)期的穩(wěn)定性測(cè)試，在光照強(qiáng)度為100mW/cm2的條件下連續(xù)工作1000小時(shí)后，電池的性能衰退僅為10%，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電池的性能衰退達(dá)到了25%。新型器件結(jié)構(gòu)通過拓寬光吸收范圍、優(yōu)化電荷傳輸和分離過程以及增強(qiáng)穩(wěn)定性等方面，顯著提升了全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池的性能，為其進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用提供了有力的支持。五、形貌調(diào)控與器件優(yōu)化的協(xié)同效應(yīng)5.1形貌調(diào)控對(duì)器件性能的直接影響5.1.1激子分離與電荷傳輸效率的提升形貌調(diào)控對(duì)全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池的激子分離和電荷傳輸效率有著至關(guān)重要的影響，進(jìn)而顯著影響電池的短路電流和填充因子。在激子分離方面，活性層中給體和受體聚合物的相分離結(jié)構(gòu)起著關(guān)鍵作用。通過形貌調(diào)控，使給體和受體形成納米級(jí)別的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠有效增加給體-受體界面面積。在聚（3-己基噻吩）（P3HT）和聚[N-9'-十八烷基-2,7-咔唑并[3,4-b]噻吩-4,9-二酮-5,5-（4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧硼雜環(huán)戊烷）]（PCDTBT）體系中，當(dāng)通過添加劑或退火等形貌調(diào)控手段，使P3HT和PCDTBT形成均勻的納米級(jí)互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)，相分離尺寸在10-20nm之間。這種精細(xì)的相分離結(jié)構(gòu)使得激子在擴(kuò)散過程中更容易到達(dá)給體-受體界面，因?yàn)檩^短的擴(kuò)散距離增加了激子到達(dá)界面的概率。研究表明，在這種情況下，激子的解離效率可提高30%-40%，更多的激子能夠成功解離為自由電荷，為后續(xù)的電荷傳輸提供了更多的載流子，從而提高了短路電流。電荷傳輸效率也受到形貌調(diào)控的顯著影響?；钚詫又蟹肿拥呐帕蟹绞胶拖喾蛛x結(jié)構(gòu)的連續(xù)性對(duì)電荷傳輸路徑有著重要影響。通過形貌調(diào)控優(yōu)化分子的堆積取向，使電荷傳輸方向與電極方向一致，能夠降低電荷傳輸電阻，提高電荷遷移率。在基于聚噻吩并[3,4-b]噻吩-苯并二噻吩（PTB7）和非富勒烯類聚合物受體IT-4F的體系中，通過溶劑退火等形貌調(diào)控方法，使PTB7和IT-4F的分子鏈在垂直于薄膜平面方向上呈現(xiàn)出有序排列。利用掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）技術(shù)對(duì)活性層進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)分子鏈的有序排列形成了更有效的電荷傳輸通道，電荷遷移率提高了40%-50%。同時(shí)，優(yōu)化的相分離結(jié)構(gòu)保證了電荷傳輸路徑的連續(xù)性，減少了電荷在傳輸過程中的散射和復(fù)合。通過電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)試可知，電荷傳輸電阻降低了30%-40%，這使得電荷能夠更快速、高效地傳輸?shù)诫姌O，提高了電荷收集效率，進(jìn)而提高了電池的填充因子。激子分離和電荷傳輸效率的提升對(duì)電池的短路電流和填充因子有著直接的影響。短路電流主要取決于光生載流子的產(chǎn)生和收集效率，激子分離效率的提高增加了光生載流子的數(shù)量，而電荷傳輸效率的提升則保證了這些載流子能夠有效地傳輸?shù)诫姌O，從而提高了短路電流。填充因子反映了電池在實(shí)際工作中的輸出功率與理論最大功率的接近程度，電荷傳輸效率的提高減少了電荷在傳輸過程中的損失，使得電池能夠更接近理論最大功率輸出，從而提高了填充因子。在一些通過形貌調(diào)控實(shí)現(xiàn)高效激子分離和電荷傳輸?shù)娜酆衔镉袡C(jī)太陽(yáng)能電池中，短路電流可提高20%-30%，填充因子可提高10%-20%，顯著提升了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。5.1.2減少電荷復(fù)合與提高開路電壓形貌調(diào)控在減少全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池電荷復(fù)合、提高開路電壓方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。電荷復(fù)合是影響電池性能的重要因素之一，它會(huì)導(dǎo)致光生載流子的損失，降低電池的輸出電壓和電流。活性層的形貌對(duì)電荷復(fù)合有著顯著影響。當(dāng)活性層中存在缺陷、相分離不均勻或分子排列無(wú)序時(shí)，電荷復(fù)合的概率會(huì)增加。在聚（3-己基噻吩）（P3HT）和聚[N-9'-十八烷基-2,7-咔唑并[3,4-b]噻吩-4,9-二酮-5,5-（4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧硼雜環(huán)戊烷）]（PCDTBT）體系中，如果相分離尺寸過大，大于50nm，通過時(shí)間分辨光致發(fā)光光譜（TRPL）測(cè)試可知，電荷復(fù)合壽命明顯縮短，這是因?yàn)檩^大的相分離尺寸會(huì)導(dǎo)致給體-受體界面面積減小，激子解離后的電荷在傳輸過程中更容易發(fā)生復(fù)合。同時(shí)，活性層中分子排列無(wú)序會(huì)導(dǎo)致電荷傳輸通道不暢，電荷在傳輸過程中容易與陷阱態(tài)相互作用，從而增加電荷復(fù)合。通過形貌調(diào)控可以有效減少電荷復(fù)合。優(yōu)化活性層的相分離結(jié)構(gòu)，使其形成均勻、連續(xù)的納米級(jí)互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠增加給體-受體界面面積，減少電荷在傳輸過程中的復(fù)合。在基于聚噻吩并[3,4-b]噻吩-苯并二噻吩（PTB7）和非富勒烯類聚合物受體IT-4F的體系中，通過添加合適的添加劑，如1,8-二碘辛烷（DIO），使活性層中PTB7和IT-4F的相分離尺寸更加均勻，在10-20nm之間。此時(shí)，通過TRPL測(cè)試發(fā)現(xiàn)，電荷復(fù)合壽命延長(zhǎng)了2-3倍，這表明電荷復(fù)合得到了有效抑制。此外，調(diào)控分子的堆積取向，使分子排列更加有序，能夠減少電荷傳輸過程中的陷阱態(tài)，降低電荷復(fù)合的概率。利用熱退火等方法，使活性層中的分子鏈在平面內(nèi)或垂直于平面方向上呈現(xiàn)出有序排列，通過電子順磁共振（EPR）測(cè)試可知，陷阱態(tài)密度降低了30%-40%，電荷復(fù)合明顯減少。電荷復(fù)合的減少對(duì)提高開路電壓有著重要作用。開路電壓是指電池在開路狀態(tài)下的電壓，它與活性層中電荷的積累和復(fù)合密切相關(guān)。當(dāng)電荷復(fù)合減少時(shí)，光生載流子能夠更有效地在電極上積累，形成更高的電壓。在一些通過形貌調(diào)控減少電荷復(fù)合的全聚合物有機(jī)太陽(yáng)能電池中，開路電壓可提高0.1-0.2V。這是因?yàn)闇p少電荷復(fù)合意味著更多的光生載流子能夠到達(dá)電極，增加了電極上的電荷密度，從而提高了開路電壓。此外，形貌調(diào)控還可以通過調(diào)節(jié)活性層與電極之間的能級(jí)匹配，進(jìn)一步提高開路電壓。在陰極與活性層之間引入合適