單組份有機(jī)太陽能電池納米相分離調(diào)控新策略

吳 凱

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871

(a) 給受體材料、單組份聚合物結(jié)構(gòu)以及共軛骨架理論計(jì)算；(b)，(c) 聚合物薄膜的AFM和TEM表征，1、2、3分別對應(yīng)PBDTPBI、S-PBDTPBI和SF-PBDTPBI；(d) 聚合物薄膜的排列模型及GISAXS表征；(e) 聚合物的GIWAXS表征，e1、e2、e3、e4分別對應(yīng)PBDTPBI，S-PBDTPBI、SF-PBDTPBI和PBDTT；(f) 單組分太陽電池器件性能表征，f1、f2為AM1.5G光譜下的電流-電壓曲線和外量子效率，f3、f4為活性層吸光系數(shù)和內(nèi)量子效率。

有機(jī)太陽能電池因其質(zhì)輕、柔性、結(jié)構(gòu)可調(diào)、可溶液加工等特點(diǎn)具有潛在的應(yīng)用前景，近年來成為研究熱點(diǎn)。其中，雙組份或多組分的本體異質(zhì)結(jié)型太陽能電池的研究最為深入，其能量轉(zhuǎn)換效率已超過13%1,2；然而這類器件存在優(yōu)化步驟多、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，不利于大面積制備。單組份太陽能電池中電子給體與受體通過共價(jià)鍵連接組成單一組份的活性層，使器件相對穩(wěn)定。單組份聚合物的設(shè)計(jì)主要有“rod-rod”或“rod-coil”型的嵌段共聚物，以及給、受體各自分布在主鏈與側(cè)鏈的“double-cable”型共軛聚合物3–7。但由于該類聚合物結(jié)構(gòu)復(fù)雜且形貌難以調(diào)控，存在激子分離與電荷傳輸效率低的問題，導(dǎo)致其光電能量轉(zhuǎn)換效率相對較低，大都未超過3%。2017年8月，中國科學(xué)院化學(xué)研究所李韋偉研究員課題組報(bào)道了一組主鏈為吡咯并吡咯二酮(DPP)類給體骨架、側(cè)鏈為苝酰亞胺(PBI)受體的“double-cable”型共軛聚合物8，通過延長連接給受體的烷基鏈長度，改善聚合物的結(jié)晶性，調(diào)節(jié)聚合物薄膜中的相分離，使單組份電池的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到2.74%。

最近，該課題組提出了直線型共軛骨架為主鏈的分子設(shè)計(jì)策略，實(shí)現(xiàn)“double-cable”型共軛聚合物中小尺度的納米相分離，從而提升單組份太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。該課題組以苯并二噻吩(BDT)的均聚物PBDTT為給體共軛主鏈，PBI為側(cè)鏈?zhǔn)荏w單元，合成了一組共軛主鏈為直線型的“double-cable”型共軛聚合物9，并將硫原子和氟原子引入到BDT的側(cè)鏈噻吩上以調(diào)節(jié)聚合物的能級和結(jié)晶性。通過對薄膜形貌表征發(fā)現(xiàn)，該聚合物的給體共軛主鏈 PBDTT以及受體單元 PBI在薄膜中具有“face-on”的堆積取向和小尺寸的納米相分離結(jié)構(gòu)(大約 5 nm)，這有利于單組份電池中的激子分離和電荷傳輸?；谶@類聚合物的單組份太陽電池能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了4.18%，外量子效率和內(nèi)量子效率分別達(dá)到了0.65和0.80，是當(dāng)前單組份有機(jī)太陽電池的最高性能之一。

該研究工作近期已在Journal of the American Chemical Society上在線發(fā)表9。該工作表明，通過采用直線型共軛主鏈的設(shè)計(jì)策略，單組份聚合物可以獲得優(yōu)異的納米相分離結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高性能的單組份有機(jī)太陽能電池。該工作將對單組份太陽能電池的研究具有重大的推動作用。