低毒低污染溶剂加工的高效全聚合物太阳能电池

houjianhuihoujianhui全聚合物太阳能电池是由共轭聚合物电子给体和聚合物电子受体材料共混制备的新型能源器件。相较于传统的富勒烯类小分子受体,聚合物受体在可见光区具有更宽更强的吸收,且其更易修饰的分子结构可以实现材料吸收光谱,分子能级和结晶性等性质的协同调制。更重要的是,通过化学结构修饰,聚合物受体可以获得富勒烯类受体材料难以获得的在低毒性非卤非芳香溶剂中的优良溶解性。绿色溶剂的成功应用这将大大推动聚合物太阳能电池领域的产业化进程。当前,绿色溶剂加工的全聚合物太阳能电池的器件效率仅为2%左右。因此,通过绿色溶剂加工以实现全聚合物太阳能电池器件的高效率具有重要的意义。

苯甲醚因其具有与传统溶剂氯苯等相似的沸点,更低的毒性和好的生物相容性,而被认为是一种理想的绿色加工溶剂。最近,中国科学院化学研究所的侯剑辉研究员及其研究团队利用单一绿色溶剂苯甲醚进行器件加工,实现了基于苝二酰亚胺全聚合物太阳能电池的效率突破。

在该研究工作中,研究人员将长烷基链2-辛基十二烷基引入到苝二酰亚胺和单噻吩的共聚物中。研究表明,长的烷基链以及分子自身的扭曲有利于打破苝二酰亚胺自身的强聚集,使得该苝类聚合物在非卤溶剂,如甲苯,苯甲醚,四氢呋喃等中均具有优异的溶解性。研究人员选取该苝类材料和聚合物(PBDT-TS1)分别作为电子受体和电子给体,通过单一绿色溶剂苯甲醚进行器件加工,在正向器件中,该体系获得5.43%的能量转化效率。此结果与传统卤素溶剂体系氯苯/氯萘加工的器件结果相当。进一步将反向器件结构引入,基于该体系的器件最终可获得6.58%的能量转化效率。相较于正向器件结果,反向器件的短路电流和填充因子均实现了显著的提高。通过对活性层的垂直相分布进行研究,结果表明在该体系中给体材料倾向于富集在活性层的上表面。因此,反向器件结构更有利于载流子向两极的传输。该工作在全聚合物太阳能电池效率上的突破展现出绿色溶剂在全聚合物太阳能电池领域中应用的光明前景。相关结果发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm201501991)上。