高开路电压(1 V)的联受体型共轭聚合物太阳能电池研究

太阳能电池是实现太阳能资源直接利用的有效途径,而有机太阳能电池具有质轻、柔性、可大面积制备等优势,具有广泛的应用空间。为了实现更高的光电转换效率,人们在有机太阳能电池的材料设计、器件制备等方面做了深入的研究。目前,单结有机太阳能电池光电转换效率已达到10%以上。太阳能电池的光电转换效率由开路电压,短路电流,填充因子三个因素决定。理想的有机太阳能电池给体材料应当具有较低的最高占据轨道(HOMO)能级和较窄的带系,以保证高的开路电压和宽的光吸收范围。但低的HOMO能级和窄的带隙两者很难兼顾,这是限制光电转换效率提高的主要因素之一。

国家纳米科学中心魏志祥课题组近年来在有机太阳能电池领域做了一系列的工作,特别是将理论计算与分子设计相结合,利用多种表征手段对材料的纳米形貌与器件的工作机理进行了比较深入的研究。在最近发表在Advanced Science上的文章中报道了一种开路电压超过1 V的联受体型给-受(D-A)结构共聚物给体材料,同时其光电转换效率高达7.59%,这是目前已知开路电压达到1 V及以上的单结有机太阳能电池中最高的光电转换效率。此新材料采用了苯并二噻吩(BDT)作为给体单元,噻吩并吡咯双酮(TPD)作为受体单元的主链结构,并将两个TPD单元用噻吩桥连接起来形成联受体单元作为受体部分。这种材料设计方式增加了聚合物主链中受体单元的密度,在降低了聚合物的最低空轨道(LUMO)能级的同时,也降低了其HOMO能级(-5.62 eV),这种非常低的HOMO能级是使的电池的开路电压达到并超过1 V的关键因素。另外,联受体的加入提高了聚合物吸光系数,从而增强了材料对光的利用效率;虽然新材料的吸光带边只到680 nm,但其光伏器件却得到了较高的短路电流(14.32 mA cm2)。掠入射广角X射线散射(GIWAXS)结果表明,新材料表现出良好的面-面(face-on)堆积方式,这就有利于电荷的垂直传输。

该工作中的材料设计方法在不改变材料主链结构的同时降低材料的HOMO能级,合成步骤简单,同时适用于其他高效率的聚合物材料,为之后的材料设计提供了新的思路。Untitled