針對單組分有機太陽能電池中共軛材料種類少、凝聚態結構調控困難、能量轉換效率低等問題，一個中外聯合研究組最近取得新的突破。他們合成了一種新型雙纜共軛聚合物，作為吸光層應用於單組分有機太陽能電池中，獲得了6.3%的能量轉換效率，這是目前單組分有機太陽能電池的最高效率。相關論文近日刊登於《焦耳》。
「該聚合物包含給體主鏈與受體側鏈，在成膜過程中，給體與受體互相制約，難以形成有序納米結構。我們發現，溫度賦予這類聚合物二次結晶的機會。隨著溫度升高，聚合物薄膜中給體主鏈及受體側鏈的堆積逐漸有序，從而大幅度提升電荷傳輸效率，並降低電荷複合機率。」課題組負責人、中國科學院化學研究所/北京化工大學教授李韋偉告訴《中國科學報》。
據悉，單組分有機太陽能電池與傳統多組分本體異質結電池相比，其活性層只含一種組分，從而極大提高器件穩定性與簡化器件製備工藝。而且，基於雙纜共軛聚合物的單組分有機太陽能電池，由於給、受體通過化學鍵「綁定」，活動受限，其形貌穩定性已被證實優於對應的本體異質結電池。同時，在雙纜型共軛聚合物中，給、受體界面以分子尺度均勻分布，利於激子在有限的壽命內擴散到界面。因此，基於雙纜型共軛聚合物的單組分太陽能電池具備大規模工業化應用潛力。
這類電池雖然已有幾十年研究歷史，但目前其效率仍遠低於本體異質結類電池。主要原因是單組分共軛材料合成複雜，同時分子內給/受體的相分離調控難度大。基於此，李韋偉課題組重拾歷史難題——單組分有機太陽能電池研究。
此前，針對雙纜共軛聚合物合成複雜問題，該課題組提出了一種「先側鏈功能化，後聚合」的設計思路，成功製備了一系列結構明確的雙纜共軛聚合物，深入探究了共軛主鏈、受體側鏈與連接單元的分子結構對聚合物凝聚態結構的影響機制，使單組分有機太陽能電池效率從0.51%提升至4.34%。
此次，李韋偉研究組聯合德國紐倫堡大學、香港科技大學等機構研究人員，將苯並二噻吩二酮引入共軛主鏈合成了第四系列雙纜共軛聚合物，並發現該聚合物在薄膜中的相分離形貌對溫度敏感，隨著退火溫度升高，聚合物的給體主鏈及受體側鏈的堆積逐漸變得有序，而相關太陽能電池獲得了6.3%的光電轉換效率。
研究人員還系統研究了該電池在工作中的諸多機制問題，同時發現其在連續1個太陽光強度照射300個小時後仍能保持93%的初始效率。
研究人員表示，這一系列研究證明隨著新材料的開發和光電轉換機理研究的不斷推進，單組分有機太陽能電池「老壺裝新酒」，擁有巨大的研究價值與應用潛力。
據悉，該論文第一作者為該課題組博士研究生馮貴濤，通訊作者為李韋偉及中科院化學所副研究員李誠。