Advanced Materials:在提高聚合物太阳能电池效率及稳定性方面取得新进展

聚合物太阳能电池具有质量轻、加工工艺简单、可制备柔性半透明器件等突出优点。现阶段,如何提高器件效率及稳定性是该研究领域的挑战。通过在给受体活性层中引入第三组分构建三元器件以提升效率是一种简单可行的策略。第三组分的加入可有效地扩宽活性层吸收光谱、调控共混膜形貌,提高器件能量转换效率;但同时也有可能形成激子复合中心或形貌陷阱从而显著降低器件性能。因此,合理设计开发第三组分是发展高效三元聚合物太阳能电池的关键。

最近,苏州大学李永舫院士团队的崔超华副教授等通过合理设计第三组分分子构建三元器件,有效地提高了聚合物太阳能电池的能量转换效率及器件稳定性。他们以稠环单元IDT为中心单元D,双氟取代的苯基为共轭π桥,氰基乙酸烷基酯为端基A,设计合成了A-π-D-π-A型小分子IBC-F(图1a)。IBC-F与受体分子IE4F-S具有相同的中心单元D,同时可与主体二元共混膜PBDB-T:IE4F-S形成良好的互补吸收光谱(图2a)。瞬态吸收光谱结果表明IBC-F与PBDB-T间存在FRET能量转移(图2b)。

图1.(a) IBC-F, PBDB-T, IE4F-S的结构式。(b) IBC-F合成路线图

非常有趣的是,当IBC-F作为受体与PBDB-T共混或作为给体与IE4F-S共混时,电池器件能量转换效率都非常低,分别仅为0.21%和0.045%,但将20%IBC-F引入PBDB-T:IE4F-S却能够有效地促进共混膜激子分离、抑制双分子复合,延长载流子寿命,以及增强分子间的相互作用以趋向于有利于电荷传输的face-on分子堆积方式,从而显著地将二元器件的填充因子从0.69提高到0.744,能量转换效率也因此从13.70%提升到了15.06%。利用光伏性能非常差的第三组分有效地提高电池器件的能量转换效率在高效三元器件中非常少见。不仅如此,IBC-F的引入还可以有效提高二元器件的热/光照稳定性:器件在手套箱内60℃持续加热或者光照1000小时后,二元器件的效率分别降到初始值的71.7%和73.6%,而三元器件仍可维持为81%和85.5%,(图2c, d)。结果表明, IBC-F作为第三组分可以有效地提高聚合物太阳能电池的光伏性能及器件稳定性。

图2.(a) IBC-F, PBDB-T和IE4F-S的紫外-可见光吸收谱图。(b) IBC-F, PBDB-T和IE4F-S的能级以及PBDB-T:IE4F-S:IBC-F间电荷与能量转移机制示意图。二元/三元器件在手套箱内(c) 60℃持续加热和(d)模拟太阳能持续照射下能量转化效率随时间变化曲线。

以上成果近日以题为“Ternary Polymer Solar Cells Facilitating Improved Efficiency and Stability”发表于Advanced Materials (2019, DOI: 10.1002/adma.201904601)。 论文第一作者为苏州大学材料与化学化工学部硕士生董颖莹,通讯作者为崔超华副教授。