蘇州大學&上海交通大學Adv. Mater.: 簡單制備的對活性層膜厚和器件面積變化不敏感的高效非富勒烯聚合物太陽能電池
【引言】
隨著世界經濟的高速發展，能源和環境危機已日益加劇，人們對清潔能源的需求也越來越迫切。太陽能作為取之不盡、用之不竭的綠色能源，其如何高效利用一直是人們的研究熱點。聚合物太陽能電池具有質輕、可大面積制備柔性半透明器件等優點而受到研究者們的廣泛關注。近兩年，隨著窄帶隙非富勒烯受體材料的飛速發展，聚合物太陽能電池的光電轉換效率已經高達14%。然而，基于此類體系的高效寬帶隙聚合物給體材料的種類非常有限、活性層形貌需要后處理優化、并且在一定程度上對活性層的膜厚和器件的面積較為敏感，這嚴重制約了聚合物太陽能電池的進一步發展和實際應用。
【成果簡介】
最近，蘇州大學先進光電材料重點實驗室的張茂杰教授用一種以氟取代噻吩基苯并二噻吩為給體單元、苯并二噻吩二酮為受體單元的二維共軛聚合物給體材料PM6做給體，非富勒烯IDIC做受體，不需要任何特殊處理的情況下簡單方便的制備了對活性層厚度和器件面積不敏感的高效非富勒烯太陽能電池（能量轉化效率11.9%），相關工作發表在Advanced Materials（IF = 19.791）上。
張茂杰教授在前期對富勒烯聚合物太陽能電池的研究中發現，將氟原子引入到噻吩基取代的苯并二噻吩(BDT-T)，能夠同時降低聚合物的HOMO能級、提高聚合物的消光系數、增強分子間的相互作用、提高材料的結晶性和空穴遷移率，從而使中間帶隙共軛聚合物光伏器件的能量轉化效率從4.5%提高到8.6% (Advanced Materials, 2014, 26, 1118)1。后來，其又將將氟原子引入到噻吩基取代的苯并二噻吩引入到寬帶隙共軛聚合物體系，得到新的聚合物PM6，使用PM6為給體、富勒烯PCBM為受體制備的聚合物太陽能電池的效率為9.2%（Voc = 0.98 V） （Advanced Materials, 2015, 27, 4655）2。后來，在聚噻吩衍生物電子供體上引入氟原子，合成新的聚合物給體材料PBDD-ff4T，該材料的富勒烯受體聚合物太陽能電池在不經過任何后處理的情況下，取得9.2%的能量轉化效率。同時，氟原子的引入能夠顯著改善器件對活性層厚度變化的敏感性（Adv. Energy Mater., 2016, 6, 1600430）3，當活性層厚度達到250 nm時，光伏器件的能量轉化效率仍可維持在最佳效率的80%。
近期，利用給、受體吸收光譜互補作用，該團隊以PM6為給體、以窄帶隙的ITIC為受體共混制備了非富勒烯聚合物太陽能電池，在開路電壓高達1.04 V的情況下依然獲得了9.7%的效率。相關工作發表在Journal of Materials Chemistry A（2017, 5, 22180）4，且該論文入選2017年JMCA雜志的熱點論文。為了獲得更高的器件效率，該研究團隊以PM6為給體、以結晶性更強的窄帶隙的IDIC為受體共混制備了非富勒烯聚合物太陽能電池。在無任何后處理的情況下獲得了高達11.9%的效率（Voc = 0.97 V，Jsc = 17.8 mA cm-2和FF = 69%），作者申明這在當時是無任何后處理器件的最高效率值，相關工作發表在Advanced Materials （2017, DOI: 10.1002/adma.20170454627）5。
為了研究該聚合物太陽能電池的實際應用潛力，他們制備了不同活性層厚度和不同器件面積的聚合物太陽能電池，發現在活性層膜厚范圍為95-255 nm、器件面積為0.20-0.81 cm2之間時均可以獲得超多11%的能量轉換效率。當器件面積高達1.25 cm2時，初步優化的柔性聚合物太陽能電池依然收獲了6.54%的能量轉換效率。基于PM6:IDIC的共混膜擁有良好的相分離和互穿網絡結構，同時強結晶性的PM6在共混膜中擁有16±6 nm的較長激子擴散距離。上述結果表明，該活性層體系適用于高效柔性大面積器件的簡單（無后處理）制備，一定程度上推動了聚合物太陽能電池的產業化進程。
【圖文簡介】
圖1. （a）聚合物給體和小分子受體的結構式，（b）吸收曲線，（c）能級示意圖。
圖2.（a）不同活性層膜厚時的電流-電壓曲線；（b）外量子效率曲線；（c）器件效率與活性層膜厚的關系；（d）不同器件面積時的電流-電壓曲線。
圖3. 柔性器件的電流-電壓曲線。
表1. 不同活性層厚度和不同器件面積太陽能電池的光伏參數表。
圖4. PM6:IDIC的共混膜在不同處理條件下的GIWAXS和ReSOXS圖。
圖5. （a）PM6的激子擴散示意圖；（b）PM6純膜和PM6:ITIC共混膜的時間分辨PL圖。
【致謝】
柔性大面積器件得到國家納米科學中心魏志祥研究員的幫助；GIWAXS和ReSOXS測試得到上海交通大學劉峰教授和勞倫斯伯克利國家實驗室Thomas P. Russell教授的幫助；時間分辨PL光譜測試得到新加坡南洋理工大學吳波博士和Tze Chien Sum教授的幫助.感謝國家自然科學基金(Nos. 51422306, 51503135, 51573120, and 91633301)和江蘇省自然科學基金(Grant No. BK20150332)的資助和支持。
【參考文獻】
1.?Synergistic Effect of Fluorination on Molecular Energy Level Modulation in Highly Efficient Photovoltaic Polymers,?Adv. Mater.2014,?doi:?10.1002/adma.201304427
2.?A Large-Bandgap Conjugated Polymer for Versatile Photovoltaic Applications with High Performance,?Adv. Mater. 2015, 27, doi:?10.1002/adma.201502110
3.?A New Polythiophene Derivative for` High Efficiency Polymer Solar Cells with PCE over 9 %, Adv. Energy Mater.?2016, doi:?10.1002/aenm.201600430
4.?High-performance non-fullerene polymer solar cells based on a fluorinated wide bandgap copolymer with a high open-circuit voltage of 1.04 V, J. Mater. Chem. A, 2017, doi:?10.1039/C7TA07785H
5.?High-Performance As-Cast Non-fullerene Polymer Solar Cells with Thicker Active Layer and Large Area Exceeding11% Power Conversion Efficiency, Adv. Mater. 2017, doi:10.1002/adma.201704546
本文由蘇州大學張茂杰教授團隊提供，在此表示感謝！
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