無規共聚調節吸收，提高全聚合物太陽能電池效率

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有機太陽能電池發展迅速，由於非富勒烯受體材料的引入，單層與疊層器件的光電轉換效率均達到13%。與小分子受體比較，聚合物受體的發展速度相對緩慢，主要原因包括電子遷移率較低、電荷生成效率低、形貌欠佳等缺陷，從而導致填充因子及短路電流密度較小。儘管全聚合物太陽能電池允許獨立調節聚合物給受體的吸收特性以最大化太陽光吸收，但是這卻沒有完全應用於優化全聚合物太陽能電池的性能。實際上，迄今為止報道的多數高效聚合物太陽能電池給受體的吸收均有重疊。

近日，韓國科學技術院（KAIST）的Won Suk Shin和Bumjoon J. Kim等人在Adv. Funct. Mater.雜誌上報道了一系列與萘二醯亞胺基聚合物受體P(NDI2HD-T2)具有互補光吸收的無規共聚物給體（圖1a），提高全聚合物太陽能電池的光電轉換效率。

圖1. 聚合物給體受體的（a）化學結構；（b）能級示意圖；（c）不同聚合物給體受體以及PCBM的吸收。圖片來源：Adv. Funct. Mater.

D-A無規共聚物以及聚合物受體P(NDI2HD-T2)的化學結構如圖1a所示。在這些聚合物給體中，苯並二噻吩（BDTT）單元提供了平面聚合物主鏈，而且相鄰的側鏈間位阻較小，同時氟化噻吩並噻吩（TT-F）單元為受體單元，氟原子引入可以降低其HOMO能級。使用不同的BDTT：TT-F比例製得一系列聚合物給體P1-P4，可以實現光學以及電化學性質的微調。P1-P4的HOMO能級分別為-5.24 eV (P1)、-5.34 eV (P2)、-5.39 eV (P3)和-5.39 eV (P4)。隨著BDTT含量的增加，聚合物給體的HOMO能級在逐漸降低。聚合物給體與受體的光學性質如圖1c所示。P1-P4的光學帶隙分別為1.58 eV、1.67 eV、1.76 eV以及1.79 eV。隨著供電子單元BDTT含量增加，吸收邊逐漸藍移。此外，其最大吸收峰的位置隨著BDTT含量增大也發生藍移，分別為703 nm (P1)、615 nm (P2)、551 nm (P3)和548 nm (P4)。因此，聚合物給體的顏色從P1薄膜的藍色到P4薄膜的紫色有所不同。

表1. 本文中聚合物給體與受體的基本參數。圖片來源：Adv. Funct. Mater.

為了研究聚合物給體調節光的吸收對全聚合物太陽能電池光電流生成的影響，作者隨後使用四種不同的聚合物給體與P(NDI2HD-T2)受體製備了全聚合物太陽能電池。如圖2a及表2所示，全聚合物太陽能電池，所用聚合物給體從P1到P3，其平均效率由5.63%增大到6.63%。P3:P(NDI2HD-T2)器件的最高效率可以接近7% (6.81%)。其開路電壓數值隨著BDTT的引入而增加，P1為0.82、P2為0.87、P3與P4為0.89，這主要歸因於隨著給體單元數目增大其HOMO能級在降低。重要的是，P3:P(NDI2HD-T2)體系的短路電流超過其他三個體系，這歸因於P3與P(NDI2HD-T2)的吸收非常互補，使得器件在整個光譜的吸收得以最大化。P4:P(NDI2HD-T2)器件短路電流的數值比P3:P(NDI2HD-T2)低，這是由於P4的吸收範圍主要在550 nm與750 nm之間。圖2b的外量子效率清晰展示了給受體吸收互補如何使得整個可見光範圍內吸收最大化，從而影響光電流的生成。

圖2. 全聚合物太陽能電池的（a）電流-電壓曲線、（b）外量子效率曲線；基於PCBM的電池的（c）電流-電壓曲線、（d）外量子效率曲線。圖片來源：Adv. Funct. Mater.

表2. 不同太陽能電池器件的光伏參數表。圖片來源：Adv. Funct. Mater.

為了進一步表明互補吸收的重要性，作者隨後製備了基於PCBM的太陽能電池。與全聚合物體系不同，對於PCBM體系，隨著D與A比例的增大（從P1到P4），其光電轉換效率由6.47%降低到4.66%。效率的降低主要歸因於短路電流的降低，這可以從其外量子效率的曲線找出答案。不同於P(NDI2HD-T2)在可見光範圍有較強吸收，PCBM在可見光區域吸收較弱。因此，電池的吸收主要由給體材料來提供。所以，P1更窄的帶隙，與太陽光光譜的重疊最強，能夠提供更好的器件效率。

本篇工作強調了全聚合物太陽能電池相對於富勒烯太陽能電池的優勢——同時調節聚合物給受體的吸收使其可以達到互補，從而提供更高的短路電流，提高器件效率，為今後的光伏材料設計提供了重要的借鑒。

Rationally Designed Donor–Acceptor Random Copolymers with Optimized Complementary Light Absorption for Highly Efficient All-Polymer Solar Cells

Adv. Funct. Mater.,2017, DOI: 10.1002/adfm.201703070

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