结构简单高效的宽带隙聚合物太阳能电池给体材料

近年来兴起的非富勒烯受体材料能够很好地克服富勒烯衍生物的自身缺陷,有效地推进了有机聚合物太阳能电池的效率突破。但是目前非常高效的受体分子材料绝大多数是基于低能隙的共轭稠环体系,如:IEIC、ITIC、IT-M, ITIC-Th等。这就意味着迫切需要发展高性能的宽带隙聚合物给体材料,与上述性能优良的受体材料共混,形成完美的光谱吸收互补,实现整个活性层的对太阳光谱更加充分的利用。目前文献报道较好的宽带隙聚合物给体材料分子结构相对复杂,合成难度大、成本高,不利于以后有机聚合物太阳能电池的产业化。而且在光伏器件制备过程中,需要合理优化器件制备条件,如:溶剂、溶剂添加剂、溶剂退火、热退火等,以获得理想的活性层相分离和薄膜形貌。目前大多数高效率有机聚合物太阳能电池仍然采用对人身健康和环境有害的含卤溶剂(氯苯、氯仿等)以及添加剂(1,8二碘辛烷、氯萘等)来优化活性层形貌。因此,有效解决以上难题将进一步推动有机聚合物太阳能电池向前发展。

最近四川大学化学学院彭强教授课题组以分子结构简单的1,3,4-噻二唑受体骨架和苯并二噻吩给体单元共聚,设计合成了两个宽带隙聚合物给体材料(PBDT-TDZ和PBDTS-TDZ),并成功应用于高效非富勒烯器件的制备。这类聚合物体系不仅具有较低的HOMO能级水平,能带隙可超过2.07 eV,能与目前性能较好的低能隙受体材料形成很好的互补吸收与能级匹配。通过共轭侧链的调整,具有烷硫基噻吩侧链的PBDTS-TDZ聚合物给体材料,其光谱吸收、HOMO能级水平和结晶性得到更加优化和改善。基于PBDTS-TDZ和ITIC所制备的非富勒烯器件开路电压高达1.10 V,能量损失仅为0.48 eV,因而单结器件效率达到12.80%。令人惊喜的是,这一高效率是在仅采用单一绿色溶剂(邻二甲苯)且不需要任何后处理的情况下获得的,避免了繁琐的器件制备和优化工艺。随后,该课题组将上述单结器件作为子电池串联起来,制备了叠层器件,效率进一步提升到13.35%,这一结果得到了国家光伏检验中心的验证(验证效率为13.19%)。相关工作发表在最近的Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201703973)上。