【写作竞赛】从二元到三元溶剂:基于聚合物太阳能电池给受体形貌的精细调节

本体异质结聚合物太阳能电池是由电子给体(共轭聚合物,如图1a)与电子受体(可溶性富勒烯衍生物PCBM等)共混形成光活性层,夹在金属阴极和阳极导电ITO玻璃之间(如图1b所示)。它作为一种新型的太阳能电池,具有成本低、重量轻、并能通过卷对卷印刷制备柔性器件等突出优点,日益成为国内外光伏研究和有机光电材料研究的热点。

当前聚合物太阳能电池研究的焦点是提高能量转换效率,而形貌的优化成为进一步提高聚合物太阳能电池能量转换效率的关键问题,尽管二元混合溶剂(一般是主溶剂和添加剂组成)对给受体的结晶行为和相区大小的调节已取得良好的效果,而它对更精细的形貌参数,如相区纯度、相区界面的调节还无能为力。

图1 聚合物太阳能电池的材料与器件结构

最近中科院化学所高分子物理与化学国家重点实验室侯剑辉研究员课题组的博士生叶龙等在聚合物太阳能电池活性层微观形貌的精细调控方法与机理方面取得了重要进展。

他们首次引入三元混合溶剂(DCB/CF/DIO)对基于窄带隙聚合物给体PDPP3T和富勒烯受体PC71BM的聚合物太阳能电池(结构见图1)表面形貌、本体相区、结晶行为进行系统的研究,并与美国北卡罗来纳州立大学(North Carolina State University)物理系的研究人员合作运用共振软X射线衍射、二维掠入射广角X射线衍射等一系列手段深入分析了从单一溶剂到三元混合溶剂的聚合物太阳能电池活性层给受体形貌的演变过程。通过系统的参数调节发现,三元混合溶剂体积比为DCB/CF/DIO = 76:19:5时结晶性最好,相区尺寸较小,相区纯度最高,相区界面较粗糙(如图2所示),使得给受体界面电荷分离的面积增大,电荷复合的几率减小,从而获得6.71%的能量转换效率, 这是目前基于DPP类材料的单层电池的最高效率之一。

图2 从一元溶剂到三元溶剂的给受体形貌的演化示意图

同时,他们的研究表明PDPP3T是极有潜力的红吸光材料(吸收边大于900nm, 开路电压大于0.65V, 能量转换效率大于6%),有望用于高效叠层器件的构筑中。该研究是首例将三元混合溶剂引入聚合物太阳能电池制备中获得成功的范例,揭示了溶剂体系的理性选择对器件的性能提升有重要的影响, 也为高效率光伏材料的器件优化提供了一个新的途径。该研究表明通过溶剂体系的精细优化,跨过有机光伏产业化要求的10%门槛是不难实现的。

这项研究结果发表在近期的Advanced Materials,工作发表以后被著名科学网站Science Daily以“How Solvent Mixtures Affect Organic Solar Cells Structure”为题作了新闻报导和评述。这项研究中的中方部分获得国家863计划、中国科学院、科技部、国家自然科学基金委的基金支持,美方部分由美国能源部提供资金支持。

作者简介:

叶龙,男,1988-07-12,中国科学院化学研究所2010级硕博连读研究生,在侯剑辉研究员的指导下从事高效聚合物太阳能电池的器件及形貌研究,已在材料科学重要期刊Adv. Mater. , Macromolecules 上发表第一、同等第一、第二作者论文4篇。2012年先后荣获高分子物理与化学国家重点实验室高分子青年学术论坛优秀奖,中科院化学所青年科学奖优秀奖。E-mail: yelong@iccas.ac.cn