全聚合物太阳电池——提升厚膜器件性能的新策略

有机光伏器件超薄的光敏层是发展大规模涂布工艺的主要挑战之一。全聚合物太阳电池(all-PSCs)作为有机光伏领域的一个重要分支,其光敏层在成膜性、机械柔性以及长期稳定性方面具有显著优势。然而,全聚合物体系相对传统富勒烯体系较弱的电荷传输能力限制了光敏层厚度的提升。目前,光电转换效率能达到9%的全聚合物光伏器件的光敏层厚度一般局限在100 nm左右。如此薄的光敏层不仅弱化了对于近红外-可见光的利用率,而且不能兼容工业生产所需的大规模印刷技术。

大规模印刷工艺需要较厚的膜层(超过200 nm)以避免形成较大的针孔区域,但发生在厚膜器件中严重的双分子复合和空间电荷效应将不可避免地导致器件填充因子和光伏效率的降低。一种行之有效的方法是增强光敏层的电荷传输能力,而研究发现这可以通过合理的分子设计来实现。然而,在分子设计时还要同时兼顾全聚合物体系相分离较大的固有缺陷。因此就聚合物给体而言,设计一种电荷传输能力强且与常用聚合物受体混溶性较好的给体材料是提升厚膜全聚合物太阳电池性能重要策略。

近期,华南理工大学黄飞与应磊研究团队通过将两种含硅氧烷侧链的宽带隙共轭聚合物给体材料整合到一个体系中,进行优势互补,与传统聚合物受体N2200匹配,所构筑的三元全聚合物电池在很宽的共混比例范围内均能实现超过76%的填充因子,且最优比例器件在350 nm厚膜器件中仍能实现9.17%的效率,该体系最终实现了在820 nm时接近6%的器件性能,是迄今公开报道的厚膜(>200 nm)全聚合物太阳电池的最高效率。

该优异性能主要得益于两种聚合物给体之间存在的Förster能量转移、聚合物给/受体之间有效的电荷转移、优异的电荷迁移率以及活性层有序的分子排列。

这种加工高性能厚膜全聚合物电池的策略表现出对于未来大规模生产的良好兼容性,对于发展更加深入的器件工艺以实现全聚合物电池从实验室研究向工业应用的转换是很大的激励。相关文章在线发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201703085)上。

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