Solar RRL:侧链优化非富勒烯太阳电池及其给受体平均化的品质因数

聚合物太阳电池(PSCs)在成本效益、大规模印刷制备、轻质柔性等方面具有巨大潜力,在过去近三十年吸引了大量研究者的关注。经过长足发展,采用非富勒烯受体的PSCs最高能量转换效率(PCE)已经超过17%,比历史任何时期都更加接近商业化的门槛。伴随PCE的飞速提升,PSCs的成本效益、器件寿命和绿色加工等成为急需回答的问题。对于成本效益,材料的合成复杂度(synthetic complexity,SC)和品质因数(figure of merit,FOM = SC/PCE)是其中关键的衡量指标,后者直接地反映了投入(SC)和产出(PCE)的关系。以富勒烯为受体的PSCs只需比较聚合物给体的SC就能估算FOM的优劣。但非富勒烯受体由于化学结构差异巨大,就需要把非富勒烯的SC纳入进行合并比较才有意义。为此本文提出按给体和受体的质量分数加权平均得到平均合成复杂度(ASC),进而用平均品质因数(AFOM = ASC/PCE)来评估电池的成本效益。

华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室陈军武课题组采用少量含硅氧烷封端的烷氧基侧链与普通烷氧基侧链混搭来替换低成本聚合物PTQ10先前的烷氧基侧链,比较了三种硅氧烷含量得到PQSi05、PQSi10和PQSi25。PQSi系列聚合物比PTQ10具有更强的聚集能力和更低的薄膜表面能,与非富勒烯受体IT-4F制作的PSCs表现出更高的短路电流密度(Jsc)和填充因子(FF),其中基于PQSi05:IT-4F获得了最高13.56%的PCE,而对比参照的PTQ10:IT-4F器件PCE为12.79%。成本效益的统计分析中,SC包括合成步骤、合成收率、分离提纯、层析色谱柱和有害化学物质五个变量,这五个变量对材料的大规模生产成本控制十分关键。PQSi05只使用5%含量的硅氧烷侧链单元,SC十分接近PTQ10。本文的PQSi05与低SC的IT-4F良好搭配,最终获得了一个引人注目的低ASC和低AFOM。对多种高效率给受体材料体系进行了ASC和AFOM的统计分析,表明PQSi05:IT-4F体系颇具综合竞争力。

相关论文在线发表在Solar RRL(Doi:10.1002/solr.202000062)上。