蘇州大學Adv. Mater.：高效非富勒烯聚合物太陽能電池

編輯部實習生 6年前 (2017-08-04) 4375瀏覽

【引言】

聚合物太陽能電池具有價低、質量輕、大面積制備和柔性等優點，因此受到了研究者的廣泛關注。在大多數塊體異質結聚合物太陽能電池中，一般將p-型共軛聚合物作為給體材料， n-型半導體作為受體材料。受體材料中研究最多的為富勒烯衍生物，如PC61BM和PC71BM，這些材料具有高的電子親和力和優秀的電荷傳輸能力。如今，富勒烯基聚合物太陽能電池的效率已經超過10%。盡管該類電池性能表現優異，但是富勒烯衍生物材料仍然存在許多缺點，比如昂貴的制備成本和復雜的純化過程、可見光區吸收弱、帶隙不可調和晶形穩定性差。

相反，由于非富勒烯受體材料具有易于合成、可見光區吸收強、能帶易調和穩定性好等優點，逐步成為一類有望替代富勒烯基受體的新興材料。在過去的幾年，大量的非富勒烯受體材料和缺電子基團合成，例如芳酰亞胺、茚滿二酮、苯并噻二唑等。到目前為止，非富勒烯聚合物太陽能電池的效率已經達到11%。然而，大部分效率超過10%的器件，其使用的給體材料很局限，主要集中在1,3-bis(thiophen-2-yl)- 5,7-bis(2ethylhexyl)benzo-[1,2-c:4,5-c′]dithiophene-4,8-di和benzotrazole基聚合物這兩種給體材料。因此，探索更加有效的聚合物給體材料對于推動非富勒烯聚合物太陽能電池的發展是至關重要的。

【成果簡介】

近日，蘇州大學張茂杰教授團隊在Adv. Mater.上發表了一篇題為: “High Efficiency Nonfullerene Polymer Solar Cells with Thick Active Layer and Large Area”的文章。該團隊利用PTZ1作為給體材料，IDIC作為受體材料制備出倒置的聚合物太陽能電池。在AM 1.5G 光照下，器件效率達到11.5%，開路電壓0.92V，短路電流16.4 mA/cm2，填充因子76.2%。同時，該器件對于活性層厚度75-210 nm區域不敏感，器件的面積也從0.04擴展到0.81cm2，這有利于器件的大面積制備。

【圖文導讀】

圖 1：化學式、吸收譜和能帶圖

(a). PTZ1和IDIC的化學式；

(b). PTZ1和IDIC薄膜的吸收譜；

(c). PTZ1和IDIC的能帶圖。

圖 2：器件光電性能表征

(a). 熱處理前和熱處理后的J-V曲線；

(b). 熱處理前和熱處理后的EQE曲線;

(c). 熱處理前和熱處理后的吸收譜；

(d). 熱處理前和熱處理后的光電流和有效電壓的關系曲線；

(e, f). 熱處理前和熱處理后的光電流和開路電壓與光照強度的關系曲線。

圖 3： 2D GIXD圖和散射剖面圖

(a).PTZ1和IDIC的2D GIXD圖；

(b). PTZ1, IDIC和PTZ1:IDIC薄膜的散射剖面圖。

圖 4：器件的性能表征

(a). 器件的J-V曲線；

(b). 器件的EQE曲線；

(c). 器件效率與活性層厚度的關系曲線；

(d). 不同活性層厚度器件的J-V曲線。

【小結】

研究者利用寬帶隙聚合物PTZ1作為給體材料，窄帶隙小分子材料IDIC作為受體材料，成功制備出效率高度11.5%的聚合物太陽能電池。該研究表明PTZ1和IDIC這兩種材料應用于高效非富勒烯聚合物太陽能電池和器件大面積制造方面具有廣闊前途。

文獻鏈接：High Efficiency Nonfullerene Polymer Solar Cells with Thick Active Layer and Large Area（Adv.Mater.,2017,DOI: 10.1002/adma.201702291）

本文由材料人新人編輯部劉于金編譯，趙飛龍審核，點我加入材料人編輯部。

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