【写作竞赛】未来能源之星—有机聚合物薄膜太阳能电池

太阳能的利用是目前解决人类能源危机的最要途径。相对于无机硅太阳能电池,有机聚合物薄膜太阳能电池(亦称作有机薄膜光伏太阳能电池-OPV)(Science, 1995, 270, 1789)以其制备过程简单、成本低、质量轻、可制备柔性器件等优点近年来受到科学家的广泛关注。

OPV器件具有类似于三明治的夹心结构:下层以透明的ITO导电玻璃做正极;中间层是此类器件的核心部分即活性层—由聚合物给和富勒烯衍生物受体共混组成;上层是低功函的金属负极。

活性层材料的开发无疑成为了研究的热点和难点,尤其以新的给体材料开发为热。

自瑞典的Andersson将给体单元芴和受体单元二噻吩苯并噻二唑(Adv. Mater., 2003, 15(12) 988)引入到有机聚合物后,给-受体(D-A)交替的共轭聚合物被广泛应用到给体材料的设计与合成中(Adv. Mater. 2006, 18(21) 2884; Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50(13) 2995; Adv. Mater. 2011, 23(27) 3086–3089; Adv. Mater. 2012, 24(38) 5267; Adv. Energy Mater. 2011, 1(4) 557; Adv. Funct. Mater. 2012, 22(11) 2345 et.al.)。

目前应用较广泛的一类给体材料是基于Thieno[3,4-c] pyrrole-4,6-dione(TPD)受体片段的聚合物。加拿大拉瓦尔大学的Mario Leclerc课题组曾对此类聚合物进行了详细研究,讨论了TPD两侧有无π桥及π桥上烷基链的取向对器件性能的影响。经过优化最终转换效率达到5.2% (Adv. Funct. Mater. 2011, 21(4) 718)。台湾国立交通大学的Kung-Hwa Wei课题组通过溶剂添加使聚合物更容易结晶,将基于PBTTPD/PC71BM的光伏器件转换效率提高到7.3% (Adv. Mater. 2011, 23(29) 3315)。

另一类广泛应用的给体材料是基于Diketo Pyrrolo-Pyrrole(DPP)受体片段的聚合物。荷兰爱因霍芬科技大学René A. J. Janssen课题组首次合成报道了基于DPP的聚合物pBBTDPP2,并获得了4.0%的转换效率(Adv. Mater. 2008, 20(13) 2556–2560);该课题组又于2010年合成PDPPTPT,与PC70BM共混后将转换效率提高到5.5%(Adv. Mater. 2010, 22(35) E242–E246)。其他课题组也对此类化合物进行了报告并取得了很好的结果(J. Am. Chem. Soc, 2011, 133(10) 3272–3275; Adv. Mater.  2012, 24, 5267–5272; Nat. Photonics. 2012, 6, 180-185),事实证明由于DPP具有较强的吸电子能力和强的π-π堆积能力,使电荷得以有效传输,因而是一类更具潜力的光伏材料。

基于thieno[3,4-b]thiophene(TT)受体片段的聚合物是目前最为高效的材料。此类聚合物由美国芝加哥大学Luping Yu课题组于2007年首次进行报道(Adv. Mater. 2007, 19(22) 3979–3983),当时转换效率仅有1%。而后一度对其优化,将基于PTB7的转换效率提高到7.4%(Adv. Mater. 2010, 22(20) E135–E138)。在美国Solarmer Energy, Inc.工作的侯剑辉将TT和自己首次报道的BDT(Macromolecules 2008, 41(16) 6012 -6018)结合,为了进一步增强TT的吸电子能力将其中的酯基改为酮基或引入F原子,将转换效率提高到7.7%(J. Am. Chem. Soc. 2009, 131(43) 15586–15587; Nat. Photon. 2009, 3, 649-653)。华南理工大学的吴宏斌用醇溶性的PFN对阴极进行修饰后效率达到8.37%(Adv. Mater. 2011, 23(40) 4636–4643),而他们制备的反转器件将转换效率进一步提高到9.2%(Nature Photonics 2012, 190, 6, 591-595),这一成果使得我们距离OPV的商业化应用又近了一大步。

结合目前高效材料的特点及OPV光电转换机理,我认为在设计和合成材料时应考虑以下几点:

  • 1.  材料在可见-近红外区具有强、宽的吸收,这样可以有效提高器件的短路电流。
  • 2.  给、受体能级相匹配,这样既可保证激子的有效分离又可减少能量损失。
  • 3.  好的溶解性和成膜性,这是制备高性能器件的保证。
  • 4.  高的载流子迁移率,且电子和空穴传输率相对平衡时效果更佳。
  • 5.  给、受体在成膜过程中易形成互穿的网络结构,这样更有利于载流子的传输。

作者简介:

王坤,男,河北省邯郸市磁县,汉族,1983-02-29,党员,kjwk2000@163.com

教育背景:

2008年7月,取得理学学士学位—河北师范大学化学与材料科学学院;

2008年9月—至今,就读于东北师范大学化学学院物理化学专业(硕博连读),导师:付强 教授;

2010年10—至今,在中国科学院化学研究所有机固体(联合培养),导师:李永舫 研究员;

研究方向及兴趣:

目前主要是聚合物和小分子光伏材料的合成及性能表征