苏州大学&上海交通大学Adv. Mater.: 简单制备的对活性层膜厚和器件面积变化不敏感的高效非富勒烯聚合物太阳能电池
【引言】
随着世界经济的高速发展，能源和环境危机已日益加剧，人们对清洁能源的需求也越来越迫切。太阳能作为取之不尽、用之不竭的绿色能源，其如何高效利用一直是人们的研究热点。聚合物太阳能电池具有质轻、可大面积制备柔性半透明器件等优点而受到研究者们的广泛关注。近两年，随着窄带隙非富勒烯受体材料的飞速发展，聚合物太阳能电池的光电转换效率已经高达14%。然而，基于此类体系的高效宽带隙聚合物给体材料的种类非常有限、活性层形貌需要后处理优化、并且在一定程度上对活性层的膜厚和器件的面积较为敏感，这严重制约了聚合物太阳能电池的进一步发展和实际应用。
【成果简介】
最近，苏州大学先进光电材料重点实验室的张茂杰教授用一种以氟取代噻吩基苯并二噻吩为给体单元、苯并二噻吩二酮为受体单元的二维共轭聚合物给体材料PM6做给体，非富勒烯IDIC做受体，不需要任何特殊处理的情况下简单方便的制备了对活性层厚度和器件面积不敏感的高效非富勒烯太阳能电池（能量转化效率11.9%），相关工作发表在Advanced Materials（IF = 19.791）上。
张茂杰教授在前期对富勒烯聚合物太阳能电池的研究中发现，将氟原子引入到噻吩基取代的苯并二噻吩(BDT-T)，能够同时降低聚合物的HOMO能级、提高聚合物的消光系数、增强分子间的相互作用、提高材料的结晶性和空穴迁移率，从而使中间带隙共轭聚合物光伏器件的能量转化效率从4.5%提高到8.6% (Advanced Materials, 2014, 26, 1118)1。后来，其又将将氟原子引入到噻吩基取代的苯并二噻吩引入到宽带隙共轭聚合物体系，得到新的聚合物PM6，使用PM6为给体、富勒烯PCBM为受体制备的聚合物太阳能电池的效率为9.2%（Voc = 0.98 V） （Advanced Materials, 2015, 27, 4655）2。后来，在聚噻吩衍生物电子供体上引入氟原子，合成新的聚合物给体材料PBDD-ff4T，该材料的富勒烯受体聚合物太阳能电池在不经过任何后处理的情况下，取得9.2%的能量转化效率。同时，氟原子的引入能够显著改善器件对活性层厚度变化的敏感性（Adv. Energy Mater., 2016, 6, 1600430）3，当活性层厚度达到250 nm时，光伏器件的能量转化效率仍可维持在最佳效率的80%。
近期，利用给、受体吸收光谱互补作用，该团队以PM6为给体、以窄带隙的ITIC为受体共混制备了非富勒烯聚合物太阳能电池，在开路电压高达1.04 V的情况下依然获得了9.7%的效率。相关工作发表在Journal of Materials Chemistry A（2017, 5, 22180）4，且该论文入选2017年JMCA杂志的热点论文。为了获得更高的器件效率，该研究团队以PM6为给体、以结晶性更强的窄带隙的IDIC为受体共混制备了非富勒烯聚合物太阳能电池。在无任何后处理的情况下获得了高达11.9%的效率（Voc = 0.97 V，Jsc = 17.8 mA cm-2和FF = 69%），作者申明这在当时是无任何后处理器件的最高效率值，相关工作发表在Advanced Materials （2017, DOI: 10.1002/adma.20170454627）5。
为了研究该聚合物太阳能电池的实际应用潜力，他们制备了不同活性层厚度和不同器件面积的聚合物太阳能电池，发现在活性层膜厚范围为95-255 nm、器件面积为0.20-0.81 cm2之间时均可以获得超多11%的能量转换效率。当器件面积高达1.25 cm2时，初步优化的柔性聚合物太阳能电池依然收获了6.54%的能量转换效率。基于PM6:IDIC的共混膜拥有良好的相分离和互穿网络结构，同时强结晶性的PM6在共混膜中拥有16±6 nm的较长激子扩散距离。上述结果表明，该活性层体系适用于高效柔性大面积器件的简单（无后处理）制备，一定程度上推动了聚合物太阳能电池的产业化进程。
【图文简介】
图1. （a）聚合物给体和小分子受体的结构式，（b）吸收曲线，（c）能级示意图。
图2.（a）不同活性层膜厚时的电流-电压曲线；（b）外量子效率曲线；（c）器件效率与活性层膜厚的关系；（d）不同器件面积时的电流-电压曲线。
图3. 柔性器件的电流-电压曲线。
表1. 不同活性层厚度和不同器件面积太阳能电池的光伏参数表。
图4. PM6:IDIC的共混膜在不同处理条件下的GIWAXS和ReSOXS图。
图5. （a）PM6的激子扩散示意图；（b）PM6纯膜和PM6:ITIC共混膜的时间分辨PL图。
【致谢】
柔性大面积器件得到国家纳米科学中心魏志祥研究员的帮助；GIWAXS和ReSOXS测试得到上海交通大学刘峰教授和劳伦斯伯克利国家实验室Thomas P. Russell教授的帮助；时间分辨PL光谱测试得到新加坡南洋理工大学吴波博士和Tze Chien Sum教授的帮助.感谢国家自然科学基金(Nos. 51422306, 51503135, 51573120, and 91633301)和江苏省自然科学基金(Grant No. BK20150332)的资助和支持。
【参考文献】
1. Synergistic Effect of Fluorination on Molecular Energy Level Modulation in Highly Efficient Photovoltaic Polymers, Adv. Mater.2014, doi: 10.1002/adma.201304427
2. A Large-Bandgap Conjugated Polymer for Versatile Photovoltaic Applications with High Performance, Adv. Mater. 2015, 27, doi: 10.1002/adma.201502110
3. A New Polythiophene Derivative for` High Efficiency Polymer Solar Cells with PCE over 9 %, Adv. Energy Mater. 2016, doi: 10.1002/aenm.201600430
4. High-performance non-fullerene polymer solar cells based on a fluorinated wide bandgap copolymer with a high open-circuit voltage of 1.04 V, J. Mater. Chem. A, 2017, doi: 10.1039/C7TA07785H
5. High-Performance As-Cast Non-fullerene Polymer Solar Cells with Thicker Active Layer and Large Area Exceeding11% Power Conversion Efficiency, Adv. Mater. 2017, doi:10.1002/adma.201704546
本文由苏州大学张茂杰教授团队提供，在此表示感谢！
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