聚合物太陽電池由p-型共軛聚合物給體和富勒烯衍生物或非富勒烯n-型有機半導體受體的共混活性層夾在透明導電電極和金屬電極之間所組成, 具有可溶液加工, 質量輕以及可製備成柔性和半透明器件等突出優點, 近年來成為全球能源領域研究的熱點. 聚合物太陽電池的商業應用需要實現器件的高效率, 高穩定性以及低成本, 這主要依賴於光伏材料的發展.
自1995年Alan J. Heeger等提出本體異質結概念以來, 聚合物太陽電池光伏材料和器件的研究獲得了持續發展. 在研究的早期階段, 器件的效率很低, 研究的關注點主要是提高效率, 通過設計和合成窄帶系, 寬吸收和具有較低HOMO能級的聚合物給體光伏材料, 以及具有較高LUMO能級的富勒烯衍生物受體光伏材料, 來提高器件的短路電流, 開路電壓和能量轉換效率. 近年來, 隨著窄帶隙非富勒烯n-型有機半導體受體光伏材料以及與之吸收互補的寬頻隙聚合物給體光伏材料的發展, 聚合物太陽電池的能量轉換效率獲得快速提升, 最近實驗室小面積器件的效率已經突破12~13%, 達到了可以向實際應用發展的門檻. 因此, 提高穩定性和降低成本就成為了實現聚合物太陽電池實際應用的關鍵. 但是, 當前已報道的高效光伏材料大多結構複雜, 合成困難, 很難滿足商業應用的需求. 開發低成本高效光伏材料將是聚合物太陽電池商業應用的巨大挑戰.
在國家自然科學基金委員會和中國科學院有關項目的支援下, 中科院院士, 中科院化學研究所有機固體院重點實驗室研究員李永舫課題組研究人員最近設計併合成了一個低成本高效的聚合物給體材料PTQ10 (分子結構見圖a) . PTQ10是一種結構簡單的D-A共聚物, 其中噻吩環作為給體單元, 喹喔啉作為受體單元. 在喹喔啉上引入烷氧基側鏈是為了提高聚合物的溶解性並增強光吸收, 引入雙氟原子取代以降低聚合物的HOMO能級和提高空穴遷移率. 該分子可以通過廉價的原材料兩步合成 (圖c) 並同時實現接近90%的總產率, 使得該材料的成本大大降低. 更重要的是, 使用PTQ10為給體, 結構相對簡單的n-型有機半導體IDIC (圖a) 為受體製備的聚合物太陽電池 (器件結構見圖b) 的最高能量轉換效率達到12.70%, 同時反向結構器件的效率也達到了12.13% (由中國計量科學研究院確認的效率為12%) . 同時, 活性層厚度在100nm至300nm範圍內器件效率都能超過10%, 這非常有利於器件的大面積製備. 與當前文獻報道的效率超過10%的其它高效聚合物給體光伏材料相比, PTQ10無論是合成步驟, 產率和效率上都具有非常突出的優勢 (圖d,e) .
考慮到低成本, 高效率和厚度不敏感等優點, PTQ10極有希望成為聚合物太陽電池商業應用中的聚合物給體材料. 該工作2月21日在《自然-通訊》發表 (Nat. Commun. 2018, 9, 743) .
(a) 給體PTQ10和受體IDIC的分子結構; (b) 電池器件結構圖; (c) PTQ10的合成路線; (d) 和 (e) 聚合物太陽電池給體材料合成步驟, 產率與效率的對比分析圖.
