全聚合物非富勒烯太陽能電池：優勢與挑戰

最新 06-26

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基於低溫溶液製程的聚合物/富勒烯太陽能電池具有獨特的優勢：價格低、質量輕、柔性和半透明，在過去的二十年里引起眾多科研工作者的關注。但富勒烯及衍生物在可見光和近紅外區的吸收弱、化學合成步驟繁瑣、電學性能和分子結構固定，導致進一步提高聚合物/富勒烯太陽能電池的效率受到限制。全聚合物太陽能電池的受體材料是聚合物，具有可見光區強而寬的吸收，在結構和能級上具有很高的調控度，所以全聚合物太陽能電池有望代替聚合物/富勒烯太陽能電池。然而到目前為止，全聚合物太陽能電池的最高效率為9.0%，相比於聚合物/富勒烯太陽能電池~13%的效率仍然存在很大的差距。N2200作為全聚合物中最成功的受體材料具有很好的性能和優勢，系統研究N2200和富勒烯受體PCBM的差異有利於我們深入了解全聚合物太陽能電池的優勢，繼續發展面臨的挑戰。

最近，蘇州大學功能納米與軟物質研究院的馬萬里教授課題組系統地報道了兩種電池體系的差異，詳細分析了目前全聚合物太陽能電池的電荷產生、分離、輸運和複合的全過程，探討了全聚合物太陽能電池的優勢和目前轉換效率受限的原因。他們選取了課題組前期報道的全共軛側鏈修飾的聚合物PTP8 （Adv. Mater.,2014,26, 3624-3630）作為給體，系統研究了採用PCBM和N2200作為電子受體的差異。他們前期報道了基於PTP8/N2200的全聚合物太陽能電池器件（J. Mater. Chem. A,2015,3, 7077-7085），實現了4.3%的光電轉換效率，這也是當時文獻報道的此類電池的最高值之一。基於聚合物受體N2200的電池器件雖然增強了對太陽光的吸收，但相比於PCBM的器件，器件短路電流並沒有提高，反而呈現明顯的下降(8.8 mA/cm2vs11.0 mA/cm2)，填充因子也出現下降(0.52vs0.59)，這與理論預期存在很大的差距。他們通過調研文獻發現，短路電流密度和填充因子的損失是目前全聚合物太陽能電池普遍存在的問題，亟需對此進行深入研究。

蘇州大學袁建宇副研究員等人系統地研究了PTP8/N2200全聚合物太陽能電池中的電荷產生、攝取、傳輸等過程，相比於[70]PCBM的電池器件，採用聚合物作為電子受體，器件的空穴和電子遷移率出現明顯下降，電荷產生的過程受到明顯抑制。他們通過與復旦大學趙海斌教授課題組合作，採用超快瞬態吸收光譜，發現在全電池器件中的激子本徵複合超過50%，而在PCBM電池中激子的本徵複合僅為~7%，成為抑制電池性能的重要原因。雖然激子複合顯著增強，但全電池器件表現出明顯降低的開路電壓損失（(Eloss=Eg– eVoc），通過材料激發態（Ect）測試發現，全聚合物太陽能電池能有效降低Ect的損失和非輻射損失，全聚合物電池的Eloss值為0.53 eV，明顯低於PCBM體系電池的0.78 eV, 這也是目前文獻報道的有機太陽能電池開路電壓損失的最小值之一，說明全聚合物太陽能電池理論上可以實現更高的光電轉換效率。

前期廣泛的聚合物/富勒烯研究表明，光敏活性層的形貌與激子的產生、分離和傳輸密切相關。系統地研究全聚合物體相異質結的薄膜對理解其激子本徵複合增加的原因具有重要意義。結合原子力顯微鏡(AFM)、透射電子顯微鏡(TEM)、差式掃描量熱(DSC)和先進的二維X射線散射(2D-GIWAXS)的形貌表徵，我們發現共軛聚合物在混合薄膜中的分子取向是導致聚合物-聚合物電池器件本徵複合較高的重要原因，電子受體材料N2200在混合物薄膜中的無規取向分布抑制了電子的傳輸和激子分離，同時增加了激子本徵複合的幾率。富勒烯分子的電荷傳輸各向同性，導致在聚合物-PCBM薄膜中PCBM的排列和取向對激子的分離影響較小。而聚合物的傳輸機製為沿著聚合物共軛主鏈和共軛分子之間的π-π跳躍傳輸，材料的電荷傳輸能力無法實現各向同性，因此需要給體聚合物和受體聚合物在界面處有一定尺度的結晶以及合適的分子取向(Face to Face或者是Edge to Edge)，這樣在理論上能實現激子產生後的高效分離，利用全聚合物吸光能力強的優勢，提升電池的光電轉換效率。