全聚合物太阳能电池研究获得突破

【中国环保在线 技术前沿】中科院化学研究所有机固体院重点实验室研究员、中科院院士李永舫课题组近在全聚合物太阳能电池的研究方面取得新进展。他们使用基于噻吩取代苯并二噻吩和氟取代苯并三氮唑的中间带隙二维共轭D-A共聚物J51为给体、n-型窄带隙聚合物N2200为受体制备了全聚合物太阳能电池，通过器件优化实现了8.27%的能量转换效率，为全聚合物太阳能电池迄今文献报道的高值。全聚合物太阳能电池研究获得突破

聚合物太阳能电池一般由氧化铟锡(ITO)透明正极、金属负极和夹在两电极之间由共轭聚合物给体和富勒烯衍生物受体组成的共混活性层所构成，具有结构和制备过程简单、成本低、重量轻、可制备成柔性器件等突出优点，成为近年来国内外研究热点。全聚合物太阳能电池使用n-型聚合物取代富勒烯衍生物作受体，可以克服富勒烯受体存在的可见光区吸光弱、能级调控范围窄、光化学不稳定、形貌稳定性差等缺点，近年来受到研究者的关注。不过，尽管这一概念早在1995年就已经提出，然而由于p-型和n-型聚合物共混活性层形貌调控上的困难，往往难以形成纳米尺度相分离的给体/受体互穿网络结构，导致电子传输性能和器件效率较低，使全聚合物太阳能电池的能量转换效率长时间停滞不前。近年来，人们通过使用n-型共轭聚合物N2200为受体、窄带隙p-型聚合物为给体，使全聚合物太阳能电池的能量转换效率从2%左右逐步提高到了接近7%的水平。


(a)给受体聚合物材料的分子式和吸收光谱图；(b)J51:N2200器件的电流密度-电压曲线；(c)外量子转化效率。

在中国科学院战略性先导专项的支持下，中科院化学研究所有机固体院重点实验室研究员、中科院院士李永舫课题组科研人员，近在全聚合物太阳能电池的研究方面取得新进展。他们使用基于噻吩取代苯并二噻吩和氟取代苯并三氮唑的中间带隙二维共轭D-A共聚物J51（分子结构见下图，Chem. Mater. 2012， 24, 3247-3254）为给体、n-型窄带隙聚合物N2200为受体制备了全聚合物太阳能电池，通过器件优化实现了8.27%的能量转换效率，为全聚合物太阳能电池迄今文献报道的高值。这一率得益于聚合物给体与受体吸收光谱互补、氟取代二维共轭聚合物J51给体较低的HOMO能级和较高的空穴迁移率，以及使用了他们开发的苝酰亚胺类PDINO阴极界面修饰层材料(Energy Environ.Sci. 2014, 7, 1966-1973)。这一结果近发表在《先进材料》上（Adv. Mater. 2016, 28, 1884–1890）。