Solar RRL:无添加剂全聚合物太阳能电池实现8.6%光伏转化效率

在过去的几年中,非富勒烯有机太阳能电池取得了巨大的进步,其中,基于非富勒烯小分子受体的有机太阳能电池的光电转换效率超过15%,而全聚合物太阳能电池的效率也达到11%。聚合物受体理论上具有优异的热稳定性和良好的机械稳定性,化学结构易调节等优点。因此全聚合物太阳能电池更有益于未来市场化应用。然而,大多数高效非富勒烯有机太阳能电池的制备都需要使用氯仿、氯苯等含卤溶剂,这对人类的健康和环境是不利的。此外,在器件加工过程中,添加剂的使用是一个必不可少的环节,且相当多的添加剂是高沸点的含卤溶剂。当在优化器件过程中使用高沸点的添加剂极易导致残留,这一定程度上影响了器件的稳定性,而且不利于将来的大规模产业化。因此,仅仅使用单一并且对环境有益且不使用任何添加剂处理制备高性能的有机太阳能电池是非常有意义的。近日,中南大学邹应萍研究团队合成了喹喔啉基聚合物给体材料:TTFQx-T1,并选用N2200为受体,通过使用单一非卤溶剂四氢呋喃(THF)为加工溶剂,制备的器件具有较好的光谱响应范围。在没有任何添加剂处理的情况下,电池器件的开路电压为0.89 V、短路电流密度为14.24 mA cm-2、填充因子为69%,效率为8.6%。这也是目前为止基于喹喔啉聚合物给体的全聚合物太阳能电池的最高效率。

全聚合物太阳能电池活性层是由聚合物电子给体和聚合物电子受体材料共混所制备,其易修饰的分子结构可以实现对材料吸收光谱、分子能级及结晶性质有效的调制。然而大多数高效聚合物受体:如N2200,吸收系数较低,因此该工作采用TTFQx-T1为给体,很好地弥补了N2200的缺陷,体系有很好的光谱吸收互补,能级匹配。另一方面,通过AFM,TEM等形貌测试可以看出活性层共混后有较好的相分离,从而有利于电荷传输。器件稳定性测试表明:20天后,在惰性气氛下电池效率仍然可以维持在原有效率的91%,表明全聚合物太阳能电池具有良好的稳定性。

相关研究以Realizing 8.6% Efficiency from Non-Halogenated Solvent Processed Additive Free All Polymer Solar Cells with a Quinoxaline Based Polymer为题发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201800340)上,论文第一作者为周流洋,通讯作者为中南大学化学化工学院邹应萍教授和蒋历辉副教授以及香港中文大学路新慧教授。

Solar RRL是一本快速刊载光伏电池以及太阳能相关前沿研究的高质量期刊,着重于太阳能光伏电池、光催化、光热、光电化学太阳能转换等领域。读者涵盖学术界和工业界材料科学家、物理学家、化学家以及工程师。作为Advanced Materials一员,Solar RRL的稿件同样由Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Small等期刊经验丰富的编辑们进行处理。