基于能量转移和形貌调控的高性能三元聚合物太阳能电池

聚合物太阳能电池,可将无处不在的光能转化为可直接利用的电能,且具有质量轻、造价低、可大面积柔性制备等优点,成为最有希望的新一代光伏器件。二十年来,高性能聚合物给体、受体材料的开发以及器件制备工艺的优化,使聚合物太阳能电池得到飞速发展。但是,能量转换效率仍然是制约聚合物太阳能电池实现高通量工业化生产的主要瓶颈。在提高器件效率的众多途径中,三元共混是其中最为简单且行之有效的方法之一。

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三元策略通常是利用两种聚合物给体或者受体的优势互补,在单节器件结构中,利用能量转移、或者电荷转移、或者有机合金或者类平行等原理,提高器件的能量转换效率。目前,开发出的绝大多数三元体系,只能利用上述单一机理,即能量转移与形貌调控不能兼顾。因为能量转移对两物质的吸收光谱与发射光谱有严格要求,而形貌调控则对两种物质固有的结晶性等有很强的依赖性。鱼与熊掌不能兼得(能量转移与形貌调控不能兼顾),导致三元体系在效率提升方面打了折扣。最近,中国科学院化学研究所王春儒研究员课题组,利用两种聚合物分子之间的能级梯度以及结晶性能上的互补特性,同时实现了能量转移与形貌调控。通过与国家纳米科学中心魏志祥研究员课题组合作,构筑出能量效率高达10.72%的三元聚合物太阳能电池。通过与中国科学院化学研究所夏安东研究员课题组合作,利用瞬态吸收光谱揭示了两种聚合物分子之间存在能量转移,增强了活性层对光子的捕获能力,为实现高的短路电流密度提供可能。通过与西安交通大学马伟教授课题组合作,利用同步辐射揭示出三元策略显著提高了活性层的相区纯度,优化了活性层的相区尺寸,既提供了充足的激子解离所需的给受体界面,又提供了电荷传输所需的有效通道,从而实现了短路电流密度(19.02 mA cm−2)与填充因子(72.62%)的大幅度提高,使器件的能量转换效率达到10.72%。

该工作首次巧妙利用两聚合物给体的能级梯度与结晶性互补,在三元体系中同时实现了能量转移与形貌优化,为高性能三元体系的设计提供了新思路。相关论文发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201602552)上。