苏州大学Adv. Mater.：高效非富勒烯聚合物太阳能电池

【引言】

聚合物太阳能电池具有价低、质量轻、大面积制备和柔性等优点，因此受到了研究者的广泛关注。在大多数块体异质结聚合物太阳能电池中，一般将p-型共轭聚合物作为给体材料， n-型半导体作为受体材料。受体材料中研究最多的为富勒烯衍生物，如PC61BM和PC71BM，这些材料具有高的电子亲和力和优秀的电荷传输能力。如今，富勒烯基聚合物太阳能电池的效率已经超过10%。尽管该类电池性能表现优异，但是富勒烯衍生物材料仍然存在许多缺点，比如昂贵的制备成本和复杂的纯化过程、可见光区吸收弱、带隙不可调和晶形稳定性差。

相反，由于非富勒烯受体材料具有易于合成、可见光区吸收强、能带易调和稳定性好等优点，逐步成为一类有望替代富勒烯基受体的新兴材料。在过去的几年，大量的非富勒烯受体材料和缺电子基团合成，例如芳酰亚胺、茚满二酮、苯并噻二唑等。到目前为止，非富勒烯聚合物太阳能电池的效率已经达到11%。然而，大部分效率超过10%的器件，其使用的给体材料很局限，主要集中在1,3-bis(thiophen-2-yl)- 5,7-bis(2ethylhexyl)benzo-[1,2-c:4,5-c′]dithiophene-4,8-di和benzotrazole基聚合物这两种给体材料。因此，探索更加有效的聚合物给体材料对于推动非富勒烯聚合物太阳能电池的发展是至关重要的。

【成果简介】

近日，苏州大学张茂杰教授团队在Adv. Mater.上发表了一篇题为: “High Efficiency Nonfullerene Polymer Solar Cells with Thick Active Layer and Large Area”的文章。该团队利用PTZ1作为给体材料，IDIC作为受体材料制备出倒置的聚合物太阳能电池。在AM 1.5G 光照下，器件效率达到11.5%，开路电压0.92V，短路电流16.4 mA/cm²，填充因子76.2%。同时，该器件对于活性层厚度75-210 nm区域不敏感，器件的面积也从0.04扩展到0.81cm²，这有利于器件的大面积制备。

【图文导读】

图 1：化学式、吸收谱和能带图

(a). PTZ1和IDIC的化学式；

(b). PTZ1和IDIC薄膜的吸收谱；

(c). PTZ1和IDIC的能带图。

图 2：器件光电性能表征

(a). 热处理前和热处理后的J-V曲线；

(b). 热处理前和热处理后的EQE曲线;

(c). 热处理前和热处理后的吸收谱；

(d). 热处理前和热处理后的光电流和有效电压的关系曲线；

(e, f). 热处理前和热处理后的光电流和开路电压与光照强度的关系曲线。

图 3： 2D GIXD图和散射剖面图

(a).PTZ1和IDIC的2D GIXD图；

(b). PTZ1, IDIC和PTZ1:IDIC薄膜的散射剖面图。

图 4：器件的性能表征

(a). 器件的J-V曲线；

(b). 器件的EQE曲线；

(c). 器件效率与活性层厚度的关系曲线；

(d). 不同活性层厚度器件的J-V曲线。

【小结】

研究者利用宽带隙聚合物PTZ1作为给体材料，窄带隙小分子材料IDIC作为受体材料，成功制备出效率高度11.5%的聚合物太阳能电池。该研究表明PTZ1和IDIC这两种材料应用于高效非富勒烯聚合物太阳能电池和器件大面积制造方面具有广阔前途。

文献链接：High Efficiency Nonfullerene Polymer Solar Cells with Thick Active Layer and Large Area（Adv.Mater.,2017,DOI: 10.1002/adma.201702291）

本文由材料人新人编辑部刘于金编译，赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

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