Solar RRL:氟化作用诱导制备简单高效的非富勒烯聚合物太阳能电池

有机太阳能电池具有成本低、器件结构简单、可制备柔性器件等多种突出优点。非富勒烯聚合物太阳能电池由于可以克服富勒烯受体可见光区吸收弱、能级调控困难、形貌稳定性差等缺点,而成为近年来的研究热点,光电转化效率也取得大幅提高。但是,目前光电转换效率超过10%的单结本体异质结非富勒烯聚合物太阳能电池普遍需要对器件进行特殊优化,比如加入高沸点溶剂添加剂、添加第三组份光伏材料、溶剂退火或者热退火等后处理操作。这些措施虽然可以优化活性层形貌并提高光伏器件的能量转化效率,却大大增加了器件制备的难度并降低了实验结果的可重复性。无任何后处理操作、简单方便的制备光伏器件对于高性能有机光伏器件的大面积制备和实际使用至关重要。

最近,苏州大学先进光电材料重点实验室李永舫院士团队的张茂杰教授和国霞副教授利用氟原子的氟化作用在高效非富勒烯聚合物太阳能电池的简单制备方面取得了重要进展。在该研究中,他们通过设计合成一种新型聚合物给体材料PFBZ和非富勒烯受体(ITIC)共混制备光伏器件,不需要经过任何后处理,该体系获得了高达10.4%的光电转化效率,为目前简单制备的非富勒烯聚合物太阳能电池最高效率之一。

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图1. PBZ与PFBZ的相关化学结构式和光伏性能参数

他们在前期对富勒烯聚合物太阳能电池的研究中发现,将氟原子引入到噻吩基取代的苯并二噻吩(BDT-T),能够同时降低聚合物的HOMO能级、提高聚合物的消光系数、增强分子间的相互作用、提高材料的结晶性和空穴迁移率,从而使光伏器件的能量转化效率从4.5%提高到8.6% (Adv. Mater., 2014, 26, 1118–1123)。后来的研究工作中,他们在聚噻吩衍生物电子供体上引入氟原子,合成新的聚合物给体材料PBDD-ff4T,该材料的富勒烯受体聚合物太阳能电池在不经过任何后处理的情况下,取得9.2%的能量转化效率。同时,F原子的引入能够显著改善器件对活性层厚度变化的敏感性(Adv. Energy Mater., 2016, 6, 1600430),当活性层厚度达到250 nm时,光伏器件的能量转化效率仍可维持在最佳效率的80%。

结合之前的研究基础,该研究团队的研究人员这次将氟原子取代的BDT-T单元与苯并三氮唑单元共聚,合成了新的聚合物给体材料PFBZ,并与非富勒烯受体ITIC制备光伏器件。与不带F取代基的材料PBZ相比,氟原子的引入对于聚合物的能级调控、消光系数提高、分子间相互作用增强以及结晶性和空穴迁移率的提高都有很大帮助;不经过任何处理时,PFBZ:ITIC在活性层厚度为110nm时的光伏器件能量转化效率可以达到10.4%。并且,PFBZ:ITIC体系也显示了良好的活性层厚度的不敏感性(活性层膜厚在70 nm时,能量转化效率为8.7%;活性层膜厚在200 nm时,能量转化效率为8.9%;110-175 nm时都得到超过9%的能量转化效率)以及优越的热稳定性(膜较薄时150 oC的高温下放置1小时后器件仍拥有较高的9.3%的光电转化效率)。该研究工作为制备简单高效的聚合物太阳能电池提供了新思路,一定程度上可以推动高效聚合物太阳能电池的大面积生产和实际应用。相关文章在线发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201700020)上。博士生凡群平和宿文燕为论文的共同第一作者。

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