具有强分子间相互作用的宽带隙聚合物材料用于非富勒烯型聚合物太阳能电池

相对于无机太阳能电池,聚合物太阳能电池具有重量轻、价格低廉、可通过印刷方式制备大面积柔性器件等优势,经过十几年的研究,基于富勒烯衍生物作为受体材料的聚合物太阳能电池的光电转化效率已经从最初的1%左右提高到超过11%。然而,基于富勒烯衍生物作为受体材料的聚合物太阳能电池器件需要克服较高的电荷分离能,进一步提高其光电转化效率面临着巨大的挑战。此外,通过富勒烯衍生物的化学结构修饰很难改变其较窄的吸收特性和固定的分子能级等特点。近两年来,非富勒烯型聚合物太阳能电池得到了快速的发展,其光电转化效率已经接近富勒烯型聚合物太阳能电池,引起了研究人员的广泛关注,逐渐成为新的研究热点。在非富勒烯型聚合物太阳能电池中,高性能的聚合物给体材料与非富勒烯受体搭配要具备互补的吸收光谱,匹配的分子能级和良好的微观形貌。另外,从聚合物太阳能电池的实用化角度来说,一个好的电池器件不但要有高的光电转化效率,较低的膜厚敏感性在大面积的卷对卷印刷中也具有十分重要的意义。

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最近,中国科学院化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室侯剑辉研究员及其团队设计并制备了基于烷硫基取代苯并二噻吩单元和烷氧基取代苯并二噻唑单元的交替共聚物PBDTS-DTBTO。该聚合物在450-700 nm范围内具有较强的吸收光谱,光学带隙为1.76 eV,与窄带隙受体材料ITIC具有较好的互补性。另外,值得注意的是,从该聚合物溶液吸收光谱在不同温度的测试中,可以发现聚合物分子在溶液态具有较强的分子间堆积,掠入射X射线衍射的测试也验证了该聚合物具有较好的结晶性,π-π堆积的距离为0.37 nm。电化学循环伏安测得该聚合物的HOMO和LUMO能级分别为-5.24 和-3.60 eV,与ITIC具有较好的匹配性。用PBDTS-DTBTO和ITIC共混制备的聚合物太阳能电池,可以获得0.84 V的开路电压,16.6 mA/cm2的短路电流和0.65的填充因子,整体效率可以达到9.1%。而在相同的条件下,当采用富勒烯衍生物PC71BM作为受体材料时,仅能取得最高7.8%的光电转化效率。更重要的是,以PBDTS-DTBTO和ITIC制备的电池器件可以在50-200 nm范围内都能保持8%左右的光电转化效率,这种较高的膜厚容忍度为非富勒烯型聚合物太阳能电池的大面积制备提供了可能。

该工作由中国科学院化学研究所侯剑辉课题组和韩国高丽大学Han Young Woo课题组共同合作完成,相关结果已发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201600742)上。