Полимерный солнечный элемент состоит из донорного полимерного донора р-типа и производного фуллерена или нефоллеренного n-типа органического полупроводникового рецептора, смешивающего активный слой, зажатого между прозрачным проводящим электродом и металлическим электродом. Выдающиеся преимущества обработки решений, легкий вес и способность быть превращенными в гибкие и полупрозрачные устройства стали предметом исследований в области глобальной энергетики в последние годы. Коммерческие применения полимерных солнечных элементов требуют высокой эффективности устройства, высокой стабильности и низкой стоимости , Это в основном зависит от разработки фотогальванических материалов.
Поскольку в 1995 году Алан Хегер и др. Предложили концепцию объемного гетероперехода, исследование полимерных солнечных фотоэлектрических материалов и устройств постоянно развивается. На ранней стадии исследования эффективность устройства очень низкая, и основное внимание в исследовании уделяется, в основном, улучшению. Эффективность, путем проектирования и синтеза узкополосных систем, широких поглощающих и полимерных донорных фотогальванических материалов с более низкими уровнями HOMO и фотоэлектрических материалов с производными акцептора фуллерена с более высокими уровнями энергии LUMO, для увеличения тока короткого замыкания устройства , Эффективности разомкнутого напряжения и эффективности преобразования энергии. В последние годы с развитием узкополосных нефаллеров n-типа органических полупроводниковых акцепторных фотогальванических материалов и их комплементарного поглощения широкопольных полимерных донорных фотоэлектрических материалов, полимерных солнечных элементов Эффективность преобразования энергии быстро возрастала. В последнее время эффективность малоразмерных устройств в лаборатории превысила 12-13%, и она достигла порога практического применения, поэтому улучшение стабильности и снижение затрат стало практическим применением полимерных солнечных элементов. Тем не менее, большинство высокоэффективных фотогальванических материалов, которые были до сих пор зарегистрированы, имеют сложную структуру и их трудно синтезировать. Трудно удовлетворить потребности коммерческих применений. Экономичные фотоэлектрические материалы станут огромной проблемой для коммерческих применений полимерных солнечных элементов.
При поддержке Национального фонда естественных наук Китая и Китайской академии наук исследователи из Китайской академии наук и исследователь Института химии Китайской академии наук Лаборатория молекулярных исследований твердых веществ Ли Юнджи недавно разработала и синтезировала недорогой высокоэффективный полимерный донорный материал PTQ10. (Молекулярная структура показана на фигуре а). PTQ10 представляет собой простую структуру сополимера ДА, в которой тиофеновое кольцо в качестве донорной единицы, хиноксалина в качестве рецепторного блока. Алкидная боковая цепь, введенная на хиноксалине, для улучшения полимеризации Растворимость материала и усиленное поглощение света, введение замещения атома бифторида для снижения уровня HOMO полимера и увеличение подвижности дырок. Молекула может быть синтезирована в два этапа недорогим сырьем (рис. C) и в то же время достигает почти 90% Суммарная доходность значительно снижает стоимость материала. Более того, используя PTQ10 в качестве донора, относительно простая структура органического полупроводника IDIC n-типа (рис. A) представляет собой полимерный солнечный элемент, изготовленный из рецептора (см. Структуру устройства Максимальная эффективность преобразования энергии на рис. Б) достигает 12,70%, а эффективность устройства обратной структуры также достигает 12,13% (эффективность, подтвержденная Китайским институтом метрологии, 12%). В то же время эффективность устройства может превышать 10% при активной толщине слоя в диапазоне от 100 до 300 нм, что очень выгодно для изготовления крупногабаритных устройств. Другие высокоэффективные полимерные доноры с эффективностью более 10%, указанные в текущей литературе По сравнению с материалом PTQ10 обладает очень выдающимся преимуществом с точки зрения производительности и эффективности независимо от этапа синтеза (рис. D, e).
Учитывая преимущества низкой стоимости, высокой эффективности и нечувствительности к толщине, PTQ10 очень перспективен в качестве материала полимерного донора для коммерческого применения полимерных солнечных элементов. Эта работа была опубликована в Nature-Communications 21 февраля (Nat. Commun) 2018, 9, 743).
(a) Молекулярная структура донорного PTQ10 и рецептора IDIC; (b) Структурная схема аккумуляторного устройства; (c) Схема синтеза стадий синтеза донорных материалов полимера PTQ10 (d) и (e), выходов и Сравнительная таблица анализа эффективности.
