Adv. Mater. 一種在周圍環境中可以提升聚合物太陽能電池綜合性能的新型受體

背景內容簡介

現流行的光伏器件可分為有機和無機光伏器件。無機光伏器件主要是已經商業化的單晶硅、多晶硅太陽能電池，由于成本過高限制了進一步發展。有機光伏器件兼具成本低，重量輕，柔性可彎曲等特點受到廣泛關注。與硅基太陽能電池工作原理略有不同，聚合物太陽能電池中的光活性層受陽光照射產生激子，借助給體和受體分離成電子空穴對，分別轉移至負極和正極，形成電流。

異質結（BHJ）的聚合物太陽能電池(PSC)在過去二十年中，憑借價格低、重量輕、機械性能好等特點收到廣泛關注。上述激子產生后很容易發生復合，擴散長度為10 nm左右，因而要求活性層中的給體受體相分離尺寸不能超過20 nm. 通過簡單的溶液處理工藝，獲得一個尺寸在10-20 nm的，用來鏈接供、受體的過渡相，是提高能量轉換效率（PCE）至關重要的一步。過去石墨烯衍生物被廣泛用來作為PSCs的受體材料，因為它有著優越的電子傳輸性能，而且可以形成較好的異質結形態。聚合物/富勒烯異質結太陽能電池供體的聚合物寄主通過合理的設計，其PCE可以超越10% 。除了上述優點外，富勒烯材料還有成本高、庫倫效率低、結構和化學穩定性差的缺點。

為了克服這些問題，北京大學的趙達慧、香港科技大學的顏河及北卡羅來納州立大學的Harald Ade等人（共同通訊）對無富勒烯結構的小型化學分子受體做了大量研究，相比于傳統的富勒烯衍生物受體構成的太陽能電池，在能量效率上取得了較大進展。另外，小型化學分子受體聚合物太陽能電池，相比于聚合物太陽能電池，在形貌、結構穩定性，供、受體兼容性等方面均有提高，這些性能的提高有望改變PSC的PCE歷史峰值。

圖文導讀

圖1 給體與受體的結構及表征圖譜 a) PDI-V受體和PTB7-Th給體結構式?b) 標準化的給體和受體的光譜吸收圖?c) 光敏活性物質薄膜的光激發圖譜?d) PDI-V的合成?e)本次工作用到的器件結構的圖解和PDI-V和PTB7-Th的能級

圖2 ?DFT法計算后獲得的最佳幾何構型。表格中顯示了相鄰二面角的PDIs

圖3?a,b) 分別為AM 1.5G, 100 mW cm^?2 條件下的J-V曲線和外部量子效率曲線c) 給體受體混合（灰色三角形）和給體（黑色正方形）受體（黑色三角形）的光激發圖譜對比。插圖展示了完整的光激發圖譜，主圖是低強度區域的放大。實驗所用波長為

圖4?a,c) ? GIWAXS圖像：（a）為純凈的受體層（c）為沒有添加劑和后處理的給、受體混合圖

b,d) ?(b)圖中紅色為為受體面內的一維剖面圖黑色為面外剖面圖。（d）圖為給、受體混合旋涂在Si/SiO₂基底上

展望

傳統受體材料多采用富勒烯衍生物，這片文獻中報道了無富勒烯衍生物的受體PDI-V，具有很高的電子遷移率，組成反向結構太陽能電池，在沒有添加劑和后續處理的條件下能量轉換效率達到7.75% ，而且未經封裝在空氣中能量轉換效率也能達到7.49%。PDI-V受體材料有很高的結晶度和電子流動性，因而具有較高的填充因子。該項研究成果提供了一種新的高性能，在周圍環境中較穩定，商業化前景良好的受體材料。

趙達慧教授簡介

北京大學化學系副教授，研究方向主要為具有光電功能的有機/聚合物材料的合成與表征。曾獲國家自然科學基金委優秀青年科學基金 (2012)，教育部"新世紀優秀人才支持計劃" (2012)，Distinguished Lectureship Award (2011)?By the Chemical Society of Japan，霍英東教育基金會高等院校青年教師基金優選資助課題（2008，北京市科技新星 （北京市科學技術委員會，2007），Vanderveer Voorhees Original Research Proposal Award(Dept. of Chemistry, UIUC, 2003），R. C. Fuson Memorial Travel Award ，(Dept. of Chemistry, UIUC, 2003）等獎項。

顏河教授簡介

顏河，香港科技大學副教授，本科畢業于北京大學化學系，后在美國西北大學獲得博士學位，從師于美國Medal of Science獲得者TobinMarks教授。博士畢業后，從2006至2012年間，顏河教授帶領Polyera公司的研究組研發有機半導體材料以及太陽能電池材料。在2009年，顏河教授課題組在頂級期刊《Nature》雜志上發表了一個高遷移率的n型有機半導體高分子材料。此材料被譽為開啟了“新晶體管時代”并登上了《Nature》的封面。回到香港科大后，顏河從事有機太陽能領域的研究。在過去的三年中多次打破有機太陽能電池的世界紀錄。顏河教授的研究成果在2015年被美國國家可再生能源實驗室收錄進著名的“bestresearch-cell efficiency chart”世界紀錄表。香港科技大學也成為40年來中國第一個有幸錄入“bestresearch-cell efficiency chart”的高校。這是中國太陽能電池領域近年來最重大的世界級科研突破。顏河教授的科研成果被國內國際媒體廣泛報道。顏河作為特邀嘉賓參加2015年度中國光伏大會，做有機太陽能方向的大會報告，并接受新華網的特別采訪。顏河教授在最近幾年一共多次在頂級期刊(Nature,Nature Energy, Nature Communications)發表論文。顏河教授在2009年的Nature論文被引用1500次。2014年的Nature Communications論文在短短1年半被引用700次，為同時期世界范圍內被引用最高的論文之一。

原文鏈接：A Vinylene-Bridged Perylenediimide-Based Polymeric Acceptor Enabling Efficient All-Polymer Solar Cells Processed under Ambient Conditions（Adv. Mater. ?2016, DOI: 10.1002/adma.201602387）

該文獻導讀由材料人新能源學術小組 yuezhou 供稿，材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部