基于聚合物/小分子/富勒烯的三元有机太阳能电池

AENM-weizhixiang国家纳米科学中心魏志祥课题组在Advanced Energy Materials上发表最新关于聚合物/小分子/富勒烯三元有机太阳能电池的综述。文章中概述了有机太阳能电池的发展历程,三元体系目前取得的最新进展,以及面临的挑战。作者重点综述了共轭小分子作为第三组分添加到传统的聚合物太阳能电池中所起到的作用,同时也对电池活性层中存在的光物理过程进行了详细的阐述。概括来说,共轭小分子在三元体系中的功能主要包括三个方面,(1)提高吸光能力;(2)促进电荷分离和传输;(3)改善活性层形貌等。首先,通过选择与主体聚合物光谱互补的小分子,可以有效拓宽电池的吸收光谱,提高吸光能力,这也是三元体系最初的设计思路。作者将这些小分子分为染料分子和共轭小分子两大类,都能够通过提供互补的光谱,实现短路电流的提高。其次,能级的匹配也是三元体系必要的设计原则,因为与聚合物和富勒烯能级匹配的小分子能够促进三元体系中电荷的分离和传输。小分子的加入使得活性层中形成了更多的分离界面和更优的载流子传输通道。然而,不同的小分子在活性层中与主体聚合物和富勒烯受体之间发生的光物理过程也不尽相同。三元体系中主要存在两种转移过程,电荷转移和福斯特能量转移,这两种方式都有可能提高光伏性能。最后,作者着重讲述了小分子与主体聚合物的协同作用对电池活性层形貌的影响。由于小分子具有较好的结晶性,而聚合物的结晶性相对较弱,小分子在一定程度上可以诱导聚合物结晶。当小分子在活性层中具有自身纯相时,同时与主体聚合物没有任何电荷转移和能量转移,电池会以平行的传输通道工作。另外,小分子也可以和聚合物形成“合金”,不影响聚合物堆积模式的情况下提高给体相的洁净度,从而促进激子的有效分离和电荷传输。总之,选择合适的小分子加入到传统的聚合物太阳能电池中,在优化光吸收、电荷分离/传输过程和微观形貌上,都具有重要的作用。

虽然三元有机太阳能电池已经被公认为是提高光电转化效率的重要手段,但是要想实现更大的突破,面临着一定的挑战:(1)提高小分子与聚合物的相容性,从而达到更优化的形貌;(2)设计和合成更高效的窄带隙聚合物和小分子,为三元体系提供更多的选择;(3)三元体系中开路电压改变的机制需要进一步深入研究;(4)将高效的非富勒烯小分子受体引入到三元体系。通过对以上问题的进一步深入研究,三元有机太阳能电池的效率必将会有更高的突破。相关文章在线发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201602540)上。