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全聚合物非富勒烯太陽(yáng)能電池：優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

來(lái)源: X-MOL 2017-06-26 12:00:56

基于低溫溶液制程的聚合物/富勒烯太陽(yáng)能電池具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：價(jià)格低、質(zhì)量輕、柔性和半透明，在過(guò)去的二十年里引起眾多科研工作者的關(guān)注。但富勒烯及衍生物在可見光和近紅外區(qū)的吸收弱、化學(xué)合成步驟繁瑣、電學(xué)性能和分子結(jié)構(gòu)固定，導(dǎo)致進(jìn)一步提高聚合物/富勒烯太陽(yáng)能電池的效率受到限制。全聚合物太陽(yáng)能電池的受體材料是聚合物，具有可見光區(qū)強(qiáng)而寬的吸收，在結(jié)構(gòu)和能級(jí)上具有很高的調(diào)控度，所以全聚合物太陽(yáng)能電池有望代替聚合物/富勒烯太陽(yáng)能電池。然而到目前為止，全聚合物太陽(yáng)能電池的最高效率為9.0%，相比于聚合物/富勒烯太陽(yáng)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(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)研究N2200和富勒烯受體PCBM的差異有利于我們深入了解全聚合物太陽(yáng)能電池的優(yōu)勢(shì)，繼續(xù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)。

最近，蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)研究院的馬萬(wàn)里教授（點(diǎn)擊查看介紹）課題組系統(tǒng)地報(bào)道了兩種電池體系的差異，詳細(xì)分析了目前全聚合物太陽(yáng)能電池的電荷產(chǎn)生、分離、輸運(yùn)和復(fù)合的全過(guò)程，探討了全聚合物太陽(yáng)能電池的優(yōu)勢(shì)和目前轉(zhuǎn)換效率受限的原因。他們選取了課題組前期報(bào)道的全共軛側(cè)鏈修飾的聚合物PTP8 （Adv. Mater., 2014, 26, 3624-3630）作為給體，系統(tǒng)研究了采用PCBM和N2200作為電子受體的差異。他們前期報(bào)道了基于PTP8/N2200的全聚合物太陽(yáng)能電池器件（J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 7077-7085），實(shí)現(xiàn)了4.3%的光電轉(zhuǎn)換效率，這也是當(dāng)時(shí)文獻(xiàn)報(bào)道的此類電池的最高值之一。基于聚合物受體N2200的電池器件雖然增強(qiáng)了對(duì)太陽(yáng)光的吸收，但相比于PCBM的器件，器件短路電流并沒(méi)有提高，反而呈現(xiàn)明顯的下降(8.8 mA/cm2 vs 11.0 mA/cm2)，填充因子也出現(xiàn)下降(0.52 vs0.59)，這與理論預(yù)期存在很大的差距。他們通過(guò)調(diào)研文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，短路電流密度和填充因子的損失是目前全聚合物太陽(yáng)能電池普遍存在的問(wèn)題，亟需對(duì)此進(jìn)行深入研究。

蘇州大學(xué)袁建宇副研究員等人系統(tǒng)地研究了PTP8/N2200全聚合物太陽(yáng)能電池中的電荷產(chǎn)生、攝取、傳輸?shù)冗^(guò)程，相比于[70]PCBM的電池器件，采用聚合物作為電子受體，器件的空穴和電子遷移率出現(xiàn)明顯下降，電荷產(chǎn)生的過(guò)程受到明顯抑制。他們通過(guò)與復(fù)旦大學(xué)趙海斌教授課題組合作，采用超快瞬態(tài)吸收光譜，發(fā)現(xiàn)在全電池器件中的激子本征復(fù)合超過(guò)50%，而在PCBM電池中激子的本征復(fù)合僅為~7%，成為抑制電池性能的重要原因。雖然激子復(fù)合顯著增強(qiáng)，但全電池器件表現(xiàn)出明顯降低的開路電壓損失（(Eloss =Eg– eVoc），通過(guò)材料激發(fā)態(tài)（Ect）測(cè)試發(fā)現(xiàn)，全聚合物太陽(yáng)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，明顯低于PCBM體系電池的0.78 eV, 這也是目前文獻(xiàn)報(bào)道的有機(jī)太陽(yáng)能電池開路電壓損失的最小值之一，說(shuō)明全聚合物太陽(yáng)能電池理論上可以實(shí)現(xiàn)更高的光電轉(zhuǎn)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(chǎn)生、分離和傳輸密切相關(guān)。系統(tǒng)地研究全聚合物體相異質(zhì)結(jié)的薄膜對(duì)理解其激子本征復(fù)合增加的原因具有重要意義。結(jié)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(jìn)的二維X射線散射(2D-GIWAXS)的形貌表征，我們發(fā)現(xiàn)共軛聚合物在混合薄膜中的分子取向是導(dǎo)致聚合物-聚合物電池器件本征復(fù)合較高的重要原因，電子受體材料N2200在混合物薄膜中的無(wú)規(guī)取向分布抑制了電子的傳輸和激子分離，同時(shí)增加了激子本征復(fù)合的幾率。富勒烯分子的電荷傳輸各向同性，導(dǎo)致在聚合物-PCBM薄膜中PCBM的排列和取向?qū)ぷ拥姆蛛x影響較小。而聚合物的傳輸機(jī)制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(wú)法實(shí)現(xiàn)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(jié)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(shí)現(xiàn)激子產(chǎn)生后的高效分離，利用全聚合物吸光能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，提升電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

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