采用高迁移率窄带隙共轭聚合物来制作高效率印刷型聚合物薄膜太阳电池

聚合物薄膜太阳电池(PSC)作为一种新的利用太阳能的技术,因其可通过卷对卷(Roll to roll,R2R)印刷工艺制备出成本低、重量轻的大面积的柔性器件,在国际上受到了广泛关注。由于市售的硅基薄膜电池采用印刷工艺已实现8%的能量转换效率,因此PSC在未来的发展需要在效率和印刷速度等方面取得明显突破。当前,PSC在活性层厚度约100纳米时已实现9%的效率,但增大活性层厚度常导致效率明显降低;同时卷对卷工艺如按照大面积、高速度方式印刷将存在活性层膜厚的大幅变化,这样在膜厚大幅变化下也能保持能高效率十分必要。最近,华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室的陈军武教授及其研究团队在高效率厚膜印刷型PSC方面取得了明显的进展

FBT-Th4(1,4)的化学结构

该研究采用了一种高迁移率的窄带隙共轭聚合物FBT-Th4(1,4)(见上图)来制作PSC,利用其高迁移率促进载流子输运能使厚膜型PSC在活性层厚度超过4倍变化下都拥有高效率。FBT-Th4(1,4)的主链结构由氟代苯并噻二唑和联四噻吩构成,利用联四噻吩引入支持溶解性的大支链烷基。FBT-Th4(1,4)的稀溶液与薄膜的吸收光谱基本相当,这与大多数共轭聚合物在薄膜时存在吸收红移有很大不同,说明FBT-Th4(1,4)在溶液状态下已存在非常强的分子链间聚集,即FBT-Th4(1,4)的大分子链具有自组装能力,经溶液态转变为薄膜过程容易实现强的链间耦合。以FBT-Th4(1,4)为有源层制作的场效应晶体管性能出色,在100℃的温和条件下进行退火,器件的空穴迁移率可达1.92 cm2/(V s)。FBT-Th4(1,4)薄膜的吸收截止边在767nm,对应带隙为1.62eV,能覆盖很大范围的太阳光谱,与PC71BM共混制作活性层用于倒置结构的PSC,最高效率达7.64%,并且活性层厚度在100-440nm范围的效率都超过6.5%。本研究为实现高效率印刷型聚合物薄膜太阳电池提供了一种有效途径。