結構簡單高效的寬頻隙聚合物太陽能電池給體材料

最新 03-22

近年來興起的非富勒烯受體材料能夠很好地克服富勒烯衍生物的自身缺陷，有效地推進了有機聚合物太陽能電池的效率突破。但是目前非常高效的受體分子材料絕大多數是基於低能隙的共軛稠環體系，如：IEIC、ITIC、IT-M, ITIC-Th等。這就意味著迫切需要發展高性能的寬頻隙聚合物給體材料，與上述性能優良的受體材料共混，形成完美的光譜吸收互補，實現整個活性層的對太陽光譜更加充分的利用。目前文獻報道較好的寬頻隙聚合物給體材料分子結構相對複雜，合成難度大、成本高，不利於以後有機聚合物太陽能電池的產業化。而且在光伏器件製備過程中，需要合理優化器件製備條件，如：溶劑、溶劑添加劑、溶劑退火、熱退火等，以獲得理想的活性層相分離和薄膜形貌。目前大多數高效率有機聚合物太陽能電池仍然採用對人身健康和環境有害的含鹵溶劑（氯苯、氯仿等）以及添加劑（1,8二碘辛烷、氯萘等）來優化活性層形貌。因此，有效解決以上難題將進一步推動有機聚合物太陽能電池向前發展。

最近四川大學化學學院彭強教授課題組以分子結構簡單的1,3,4-噻二唑受體骨架和苯並二噻吩給體單元共聚，設計合成了兩個寬頻隙聚合物給體材料（PBDT-TDZ和PBDTS-TDZ），並成功應用於高效非富勒烯器件的製備。這類聚合物體系不僅具有較低的HOMO能級水平，能帶隙可超過2.07 eV，能與目前性能較好的低能隙受體材料形成很好的互補吸收與能級匹配。通過共軛側鏈的調整，具有烷硫基噻吩側鏈的PBDTS-TDZ聚合物給體材料，其光譜吸收、HOMO能級水平和結晶性得到更加優化和改善。基於PBDTS-TDZ和ITIC所製備的非富勒烯器件開路電壓高達1.10 V，能量損失僅為0.48 eV，因而單結器件效率達到12.80%。令人驚喜的是，這一高效率是在僅採用單一綠色溶劑（鄰二甲苯）且不需要任何後處理的情況下獲得的，避免了繁瑣的器件製備和優化工藝。隨後，該課題組將上述單結器件作為子電池串聯起來，製備了疊層器件，效率進一步提升到13.35%，這一結果得到了國家光伏檢驗中心的驗證（驗證效率為13.19%）。

相關工作發表在最近的Advanced Materials（DOI:10.1002/adma.201703973）上。