基于全聚合物給受體材料的有機(jī)光伏器件近年來取得了突破性進(jìn)展。聚合物電子受體材料可以很好的彌補(bǔ)傳統(tǒng)富勒烯受體材料在可見和近紅外區(qū)域的吸光系數(shù)較低，化學(xué)結(jié)構(gòu)修飾困難，相區(qū)熱穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。同時(shí)聚合物受體材料具有良好的機(jī)械性能和形貌穩(wěn)定性。全聚合物太陽電池在便攜式充電、光伏一體化建筑和新型可穿戴電子器件等方面具有良好的應(yīng)用前景。但目前其光電轉(zhuǎn)換效率仍無法滿足產(chǎn)業(yè)應(yīng)用要求，還需開發(fā)具有窄帶隙、高遷移率和高穩(wěn)定性的聚合物材料，優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)并進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。

成果簡介

近日，蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)研究院的馬萬里教授團(tuán)隊(duì)在Advanced Energy Materials上在線發(fā)表了題為Improved Tandem All-Polymer Solar Cells Performance by Using Spectrally Matched Sub-Cells的論文。該論文采用三元組分規(guī)整型共軛聚合物主鏈的設(shè)計(jì)思路，并引入了氫(H)-氟(F)原子取代的分子改性策略，報(bào)道了一種新型的三元組分具有近紅外區(qū)域響應(yīng)的高效聚合物給體材料PBFSF。高規(guī)整性的分子主鏈結(jié)構(gòu)保證了材料的高載流子遷移率，通過H-F原子取代可以有效增強(qiáng)分子間的相互作用力，增強(qiáng)材料的結(jié)晶性。采用經(jīng)典的N型共軛聚合物N2200作為電子受體，制備了單節(jié)光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到6%的全聚合物非富勒烯電池器件。通過對器件的外量子效率和活性層的吸收進(jìn)行表征，我們發(fā)現(xiàn)基于PBFSF/N2200的器件在600-800 nm有較強(qiáng)的光響應(yīng)，而在紫外和可見光區(qū)域的吸收和光譜響應(yīng)卻很低，這些結(jié)果表明PBFSF/N2200是一種理想的用于疊層器件后置子電池的活性層材料。結(jié)合我們前期報(bào)道的高效寬帶隙全聚合物電池PTP8/P(NDI2HD-T)，我們在國際上首次報(bào)道了高效全聚合物電池器件，實(shí)現(xiàn)了8.3%的光電轉(zhuǎn)換效率，這也是疊層全聚合物電池文獻(xiàn)報(bào)道的最高效率。目前全聚合物電池活性層厚度只有80 nm左右，雖然可以減少載流子在傳輸過程中的復(fù)合，但是卻降低了活性層對太陽光的利用效率，我們的結(jié)果表明構(gòu)建吸收光譜匹配的疊層電池可以有效提升全聚合物太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

圖文導(dǎo)讀

圖1 三元組分結(jié)構(gòu)規(guī)整型共軛聚合物的合成路線

圖2 新型聚合物的主鏈分子骨架模擬，變溫紫外可見吸收譜圖和薄膜的GIWAXS測試圖

圖3 單節(jié)全聚合物太陽能電池電流-電壓曲線和器件外量子效率曲線

圖4 疊層全聚合物太陽能電池

(a)疊層全聚合物太陽能電池器件結(jié)構(gòu)

(b)活性層聚合物材料的吸收光譜與太陽光輻射光譜對比

(c)單節(jié)和疊層全聚合物太陽能電池的電流-電壓曲線

(d)疊層全聚合物太陽能電池的外量子效率曲線

圖5 目前文獻(xiàn)報(bào)道的基于N2200作為電子受體的電池器件效率分布圖