高性能聚合物太阳能电池材料设计新策略:分子内非共价键作用

自二十世纪九十年代以来,聚合物太阳能电池作为清洁可再生能源引起学术和工业界的广泛关注。聚合物半导体可以溶解在有机溶剂中形成“电子墨水”,之后通过丝网印刷、喷墨打印、卷对卷等溶液加工法制成薄膜光电器件。溶液法加工工艺可以实现聚合物太阳能电池低成本、高通量的制备,同时提供传统无机太阳能电池所不具备的柔性、轻便等优点和特性,使其具有重要的商业应用价值。

尽管具有众多优势,但是能量转化效率低一直是制约聚合物太阳能电池商业化的瓶颈。提高能量转化效率的主要途径是开发具有窄带隙的聚合物半导体材料,使其能够更为有效地吸收太阳光。由于现有聚合物半导体材料对太阳光的吸收不足,所以太阳能电池的短路电流一般都小于20 mA cm-2,比商业化的硅基太阳能电池的电流要低很多。为生成更多的电荷和提高短路电流,需要开发窄带隙的聚合物半导体来提高对太阳光的吸收。最近,南方科技大学材料科学与工程系郭旭岗教授课题组研发了含有头碰头链接的双噻吩单体与苯并噻二唑单体构建的一系列窄带隙聚合物半导体材料。头碰头链接方式一般具有大的空间位阻,使聚合物骨架的共面性变差,增大带隙并不利于聚合物太阳能电池活性层中电荷的输运。该课题组巧妙地在头碰头链接的双噻吩给体中的一条烷基链上引入氧原子,通过分子内硫-氧非共价键作用锁定聚合物骨架,从而半导体材料取得高度共面性和实现很窄的光学带隙(1.4 eV), 提高对太阳光的有效吸收。

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通过与上海交通大学和美国劳伦斯伯克利国家实验室刘烽教授合作,利用同步辐射揭示出在聚合物中引入氟原子可以提高半导体材料的共面性和结晶度。该类半导体材料与富勒烯衍生物共混制备活性层并用于倒装结构的聚合物太阳能电池中,最高能量转化效率接近10%,这个效率是带隙小于1.50 eV的有机半导体材料的最高值,且短路电流高达22.40 mA cm-2,结果表明此类聚合物半导体可用于叠层或多层太阳能电池中。在有机场效应晶体管中,该类材料也取得大于0.8 cm2/Vs的载流子迁移率。

这些性能参数预示着聚合物太阳能电池有望取得比现有预计更高的能量转化效率。通过引入分子内非共价键作用锁定半导体骨架共面性为设计高性能聚合物半导体材料提供了全新的设计策略。相关论文发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201603112)上。