分子设计实现高效聚合物太阳能电池的介观形貌精准调控

聚合物太阳能电池是一种极具潜力的能源转换技术。在聚合物太阳能电池中, 光电转换过程主要是在活性层本体异质结薄膜中发生的。聚合物太阳能电池的本体异质结形貌十分复杂,对其介观形貌的表征与调控是该领域的一个重大挑战。以吡咯并吡咯二酮(DPP)类聚合物为例,尽管该类材料具有吸收光谱宽,迁移率高等突出优点,然而其能量转换效率一直都不太理想,如何精准调控介观尺度上的相分离结构是实现高效率的关键。

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近期中科院化学所高分子物理与化学国家重点实验室侯剑辉团队在前期工作的基础上提出了两步的分子设计策略,即先采用交叉长短侧链调节相区的尺寸与纯度,再引入功能基团调节分子能级,进而发展了一系列基于二维共轭苯并二噻吩(2D-BDT)与 DPP单元的新型窄带隙三元共聚物光伏材料PBDPP-Tx (x=1,2,3,S)。与美国北卡罗来纳州立大学合作,他们利用共振软X射线散射技术发现分子结构上的微小差异密切影响其活性层的介观形貌及器件性能,如短路电流与相区尺寸是负线性关系,填充因子则与相区纯度成正比。在该类三元共聚物中增加短烷基侧链的DPP含量,可以显著降低活性层的相区尺寸,从而大幅提高其短路电流。另一方面,提高短烷基侧链的DPP含量,可以提高活性层的相区纯度,因而改善其填充因子。他们在最优的PDPP-T2基础上再引入烷硫基可以在不明显改变介观形貌的基础上仅优化其分子能级,最终以PBDPP-TS为给体材料的聚合物太阳能电池获得了兼具高的开路电压(~0.8 V)和高的短路电流(~16 mA/cm2),从而使单结器件的能量转换效率达到8%,率先打破了该类窄带隙DPP材料的效率瓶颈(6-7%)。令人兴奋的是该材料也在叠层器件中取得了接近10%的能量转换效率。优异的器件结果表明DPP三元共聚物是极具潜力的新型有机光伏材料。

该工作率先发现的分子结构、介观形貌与器件参数之间的定量关系对其他类型的有机光伏材料的结构设计与性能预测具有重要的指导意义。本工作以全文的形式发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201601138)上,第一作者为叶龙博士。