Adv. Energy Mater.：噻吩環提高聚合物太陽能電池中共軛聚合物的器件性能
【背景介紹】
在過去二十年中，聚合物太陽能電池（PSCs）作為下一代可再生能源轉換技術已經引起了相當大的關注。PSCs的核心部件是所謂的體異質結（BHJ）活性層，通常由半導體聚合物和富勒烯衍生物分別用作電子給體（空穴轉運體）和電子受體（電子轉運體）。目前，僅有少數聚合物在活性層厚度超過200nm下提供高效率。因此確定厚膜聚合物太陽能電池中半導體共軛聚合物性能的結構因素是迫切而緊急的。
【成果簡介】
近日，來自上海交通大學的劉烽研究員和埃因霍芬理工大學的René A. J. Janssen（共同通訊）等人證明引入交替的供體-受體型共軛聚合物骨架中的噻吩環增強了厚（> 200nm）太陽能電池的填充因子和整體效率。對于從富含電子的苯并[1,2-b：4,5-b']二噻吩單元和電子缺乏的5,6-二氟苯并[2,1,3]噻唑單元衍生的一系列氟化半導體聚合物，當在供體和受體單元之間引入噻吩環時，發現填充因子和功率轉換效率穩定增加。相關成果以題為“Thiophene Rings Improve the Device Performance of Conjugated Polymers in Polymer Solar Cells with Thick Active Layers”發表在了Advanced Energy Materials上。
【圖文導讀】
圖1?紫外可見吸收光譜和通過循環伏安法測定的聚合物的能級
a）聚合物在薄膜中的紫外可見吸收光譜
b）使用功函數值為-5.23eV的Fc/Fc+通過循環伏安法測定的聚合物的能級
圖2?J-V曲線和EQE光譜
a）J-V曲線
b）C10-Thx的EQE光譜
圖3?Jsc和Voc的變化及FF和PCE的變化
a）Jsc和Voc的變化
b）對于具有250nm有源層厚度的PSC的C10-Thx聚合物，FF和PCE的變化
圖4?時間分辨熒光譜和量子產率
a，b）分別為原始C10-Thx聚合物膜和C10-Thx：[70] PCBM共混膜的時間分辨熒光
c）C10-Thx：[70] PCBM共混膜產生電荷轉移狀態（ηCT）的量子產率
圖5?C10-Thx的電荷傳輸和重組
a）平均孔移動性
b）平均電子遷移率
圖6?純聚合物和厚（≈250nm）BHJ膜的GIXD
a）衍射圖（左：純聚合物;右：BHJ共混物）
b）純聚合物切線輪廓。
c）BHJ薄膜線切割輪廓（實線：平面外線切割輪廓;虛線：平面內線切割輪廓）
圖7?GIXD擬合分析
a）（100）晶體填充距離和相干長度的GIXD擬合分析
b）純C10-Thx薄膜的π堆疊晶體填充距離和相干長度
圖8 TEM圖像
C10- Thx的明場TEM圖像：在與a）C10-Th00，b）C10-Th25，c）C10-Th50， d ）C10-Th75和e）C10-Th100 太陽能電池制造相同的條件下形成的≈250nm厚度的PCBM共混膜。 圖像尺寸：1.5×1.5μm2; 比例尺：0.2μm
圖9?基于C10-Thx的厚（≈250nm）BHJ膜的RSoXS
C10-Th00：[70] PCBM共混物在≈0.0035A-1處顯示出寬的散射峰，給出182nm的相分離長度尺度
【總結】
本文中觀察到的分子結構和填充因子之間的相關性是尋找可以增強載流子遷移率，抑制電荷重組，調整聚合物填充和優化形態以在大的活性層厚度下實現高PCE方法的動力，其反過來又有利于大型加工和多連接的PSCs。
文獻鏈接：Thiophene Rings Improve the Device Performance of Conjugated Polymers in Polymer Solar Cells with Thick Active Layers（Adv. Energy Mater.,2017,DOI：10.1002/aenm.201700519 ?）
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