化學所在聚合物太陽能電池研究方面取得新突破

2020-12-05 中國科學院

聚合物太陽能電池一般由共軛聚合物給體和富勒烯衍生物受體的共混膜夾在ITO透明正極和金屬負極之間所組成，具有結構和製備過程簡單、成本低、重量輕、可製備成柔性器件等突出優點，近年來成為國內外研究熱點。結構規整的聚(3-己基)噻吩(P3HT)和可溶性C60衍生物PCBM是最具代表性的給體和受體光伏材料。基於P3HT/PCBM的光伏器件能量轉換效率穩定達到3.5～4.0%左右，使這一體系成為聚合物太陽能電池研究的標準體系。但P3HT/PCBM體系也存在電子能級匹配性不好（P3HT的HOMO能級太高或者說PCBM的LUMO能級太低）的問題，這導致了器件的開路電壓較低，只有0.6 V左右，這限制了其能量轉換效率的進一步提高。

在國家自然科學基金委、中國科學院和化學研究所的支持下，化學所有機固體院重點實驗室的科研人員從2009年開始開展新型富勒烯衍生物受體光伏材料的研究。他們首先研究了PCBM取代基上中間碳鏈長度對光伏性能的影響，發現中間碳鏈短一個碳或長兩個碳的C60衍生物的光伏性能比PCBM稍優（Adv. Funct. Mater. 2010，20，1480-1487）。接著他們合成了一種茚雙加成C60衍生物ICBA（分子結構見圖1），其LUMO能級較PCBM上移0.17eV，在AM1.5, 100 mW/cm2光照條件下，基於P3HT/ICBA的光伏器件開路電壓達到0.84V，能量轉換效率達到5.44％，而同樣條件下，P3HT/PCBM體系的開路電壓只有0.58 V，能量轉換效率3.88％（J. Am. Chem. Soc.，2010，132，1377-1382）。為了改進C60衍生物可見區吸收較弱的缺點，他們又合成了在可見區具有較強吸收的茚雙加成C70衍生物IC70BA，IC70BA的LUMO能級較PCBM上移0.19eV，基於P3HT/IC70BA的光伏器件能量轉換效率達到5.64％（Adv. Funct. Mater.，2010，20，3383-3389）。

最近，他們對以P3HT為給體、ICBA為受體的光伏器件進行了進一步的優化，在給體/受體重量比1:1、150oC熱處理10分鐘器件製備條件下，聚合物太陽能電池能量轉換效率達到6.48%（其中開路電壓0.84V, 短路電流 10.61mA/cm2, 填充因子72.7%.），開路電壓、填充因子和能量轉換效率都是基於P3HT的聚合物太陽能電池文獻報導最高值（Adv. Mater. , 2010, 22, 4355-4358.）。另外，他們還與臺灣交通大學合作，製備了以P3HT/ICBA為活性層的反向結構（以ZnO納米晶修飾的ITO電極為負極、PEDOT:PSS/Ag電極為正極）的聚合物太陽能電池，通過使用一種可交聯的C60衍生物為負極修飾層，器件的能量轉換效率也超過了6%,達到6.22%（其中開路電壓0.84V, 短路電流 12.4mA/cm2, 填充因子60%.），這是反向結構聚合物太陽能電池能量轉換效率的最高值（J. Am. Chem. Soc.， 2010, 132, 17381–17383）。

由於P3HT具有易合成、低成本、以及反向結構器件高穩定性等突出優點，這一結果對於聚合物太陽能電池的實際應用具有重要意義。

圖1. P3HT和ICBA的分子結構以及基於P3HT/ICBA聚合物太陽能電池的器件結構和光伏性能

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