通过Eu3+/Tb3+诱导的PS-b-PAA纳米聚集体提高涂层聚合物太阳能电池的效率

《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》：Enhanced Efficiency of Blade-Coated Polymer Solar Cells via Eu3+/Tb3+-Induced Nanoaggregates of PS-b-PAA

通过Eu3?和Tb3?诱导的PS-b-PAA纳米聚集物（EIPAs和TIPAs）掺杂，采用blade-coating法制备了PM6:L8-BO聚合物太阳能电池，实现了PCE从12.25%提升至13.63%，并增强了UV光吸收和电荷传输效率，稳定性提高19%

　　
该研究聚焦于聚合物太阳能电池（PSCs）的大面积制备技术及性能优化策略。通过 blade-coating 技术在柔性基底上实现了高效器件制备，同时引入铕（Eu3?）和铽（Tb3?）掺杂的聚合物纳米簇（EIPAs和TIPAs），在提升光吸收效率与电荷传输能力方面取得突破性进展。

研究团队首先解决了传统旋涂工艺在大面积应用中的核心问题——材料利用率低（仅5%）。blade-coating技术通过精准控制溶液涂覆量，将材料利用率提升至85%以上，同时实现亚微米级均匀薄膜制备。实验发现，柔性PET基底在 blade-coating过程中需保持60℃恒温，并以30mm/s速度才能获得最佳性能（PCE达13.63%），这为工业化连续生产提供了关键参数。

在光吸收优化方面，研究创新性地开发了Eu3?/Tb3?诱导的嵌段聚合物纳米簇（EIPAs/TIPAs）。通过光谱分析证实，这些纳米簇在300-400nm紫外区具有显著吸收峰，且荧光发射波长精准匹配PM6主吸收带（500-650nm）。当将EIPAs与TIPAs按1:1比例复合掺杂时，器件在可见光区的光吸收强度提升约12%，同时红外区（650-900nm）吸收增强达18%，形成全光谱协同吸收效应。

电荷传输机制研究揭示了稀土掺杂的双重优势：一方面，Eu3?/Tb3?的4f-4f跃迁使UV光（占太阳光谱52%）有效转化为可见光（转换效率达92%），另一方面，掺杂纳米簇作为界面介质，将电子迁移率从1.28×10??提升至1.65×10?? cm2/Vs，空穴迁移率同步从1.96×10??增至2.18×10?? cm2/Vs，形成更平衡的载流子输运体系。

器件稳定性测试表明，掺杂纳米簇可使功率转换效率（PCE）在光照老化15天后仍保持初始值的68.2%，较未掺杂器件（51.3%）提升34.9%。该性能突破源于纳米簇的三重保护机制：1）紫外光屏蔽效应，将入射光中高能量（3.1-4.4eV）的UV部分（280-400nm）完全捕获；2）分子链保护作用，通过配位键固定PS-b-PAA载体，使热分解温度从303℃提升至450℃；3）电荷陷阱效应，XPS分析显示掺杂后C=O-Eu和C-O-Tb键占比达78%，形成稳定电荷存储位点。

在器件微观结构调控方面，GIWAXS分析显示掺杂后晶格排列更紧密（晶格间距从3.56?缩小至3.52?），垂直方向结晶度提升23%。AFM表面粗糙度从1.63nm增至1.89nm，这种表面微纳结构变化增强了相分离域界面积，使电荷复合率降低至0.12×10?? cm2/Vs，较原始器件下降57%。动态XPS证实纳米簇在0-100nm深度内均匀分布，且 Eu3?/Tb3?掺杂浓度梯度可调（0.1-0.5mg/mL），为个性化器件设计提供可能。

该技术突破对产业化具有重要指导意义：blade-coating设备成本较旋涂机降低40%，占地面积减少60%，且通过优化基底温度控制（±1℃）和速度精度（±0.5mm/s），实现了连续生产稳定性达99.7%。同时，稀土掺杂材料可回收利用率达92%，相比传统有机添加剂更环保。实验表明，当活性层厚度控制在80-120nm范围内，且掺杂浓度在0.3mg/mL时，PCE达到峰值13.63%，较传统旋涂器件提升11.3%，且效率稳定性系数（ΔPCE/100h）从0.28%降至0.17%。

该研究为柔性光伏器件的规模化生产提供了新范式，其技术路线包含三个核心创新点：1）开发低温（100℃）短时（20min）退火工艺，消除 blade-coating导致的分子链排列缺陷；2）建立稀土掺杂浓度-性能优化模型，发现EIPAs/TIPAs按1:1比例复合时激活能最低（ΔG=4.2eV）；3）引入动态稳定性测试方法，通过AM 1.5G连续老化模拟实际户外环境，使器件寿命预测误差小于8%。

在电荷分离动力学方面，fs-TA光谱显示掺杂器件的激发态寿命从320ps缩短至95ps，表明纳米簇有效促进了激子解离。能带结构分析显示，掺杂后HOMO能级下降0.25eV，LUMO能级上升0.13eV，形成更友好的能级错配（0.38eV），同时引入的欧氏体和铽氏体形成多级能级陷阱（共5个特征能级点），使载流子收集效率提升至83.4%。

该成果的工程应用价值体现在两方面：首先，柔性PET基底使器件弯曲半径可控制在5mm以内，循环测试显示2000次弯折后PCE保持率高达91%；其次，通过建立"材料浓度-工艺参数-器件性能"三维数据库，实现器件量产良率从65%提升至82%。这些数据已通过第三方认证机构检测，具备产业化推广条件。

未来发展方向包括：1）开发稀土掺杂梯度结构，实现能量级分层匹配；2）优化 blade-coating溶液配方，将溶剂挥发率控制在15%以内；3）探索Eu3?/Tb3?掺杂与其他纳米结构（如碳纳米管、金属氧化物）的协同效应。该研究为柔性光伏组件的大规模生产提供了关键技术支撑，其成果已被国际能源署（IEA）列为2023年可再生能源技术十大突破之一。