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行业新闻

2019-4-24
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众多光伏技术中,聚合物太阳能电池的优势在于价廉、质轻、柔性且可制造大面积器件,这与当前电子产品的发展趋势相同,因而颇受科研人员的关注。目前,基于富勒烯受体PCBM的单节聚合物 太阳能电池的光电转换效率(PCE)已经超过了11%。但是富勒烯受体材料也有一些问题还没有被彻底解决,比如合成成本较高、吸收较弱、带隙不合适、形貌不稳定等等。为了克服富勒烯类受体 材料的缺陷,非富勒烯材料受到了极大关注。其中,全聚合物太阳能电池(all-polymer solar cells,all-PSCs)由于价廉、光谱及能级可调、形貌及机械稳定性好,成为了研究的热点。过去五年内, 全聚合物太阳能电池的效率已经从2%迅速增长到9%。但是,由于聚合物半导体的吸收较窄,全聚合物太阳能电池的光电性能也受到限制。一个简单的解决方法是采用三元共混的思路:使用两个吸 收互补的给体聚合物与一个受体形成三元共混电池,这个策略与两元电池相似,都在器件性能及稳定性方面展现出了巨大进步。

相对于PCBM及小分子受体,聚合物受体有较多优势,例如合成容易且成本低,具有更好的成膜性以及机械和热稳定性。两元全聚合物太阳能电池发展迅速,不过,至今还没有三元共混全聚合物电 池性能超过的高效率两元体系的例子,其中一个重要原因是多元共混聚合物膜的形貌无法达到最佳。最近,瑞典查尔姆斯理工大学的王二刚(Ergang Wang)教授、Xiaofeng Xu博士和埃因霍温理 工大学的Rene? A. J. Janssen教授等研究者在PTB7-Th与PNDI-T10的混合物中引入宽带隙聚合物PBDTTS-FTAZ作为第二给体,通过优化PBDTTS-FTAZ的含量,所得三元全聚合物太阳能电池短路 电流密度(Jsc)达到14.4 mA/cm2,填充因子(FF)高达0.74,传统器件与倒装器件的效率都可以达到9.0%。这是迄今报道的效率最高的三元全聚合物共混电池之一。相关论文发表在Energy E- nviron. Sci. 杂志,Zhaojun Li为第一作者。

由于PTB7-Th:PNDI-T10的共混物在可见光吸收比较弱,通过引入PBDTTS-FTAZ作为第二给体材料构建三元共混体系可以实现可见光区域的吸收。PTB7-Th与PNDI-T10的吸收主要在550-850 nm 区域重叠,而PBDTTS-FTAZ在450-650 nm的可见光区域有更强的吸收,这对于PTB7-Th与PNDI-T10刚好是一个弥补(图1b)。随着PBDTTS-FTAZ含量增加,三元共混体系的吸收逐步增强,这 与作者的预期完全相符(图1c)。另外,三种聚合物的LUMO能级呈很好的阶梯状排列,但是HOMO却不是如此排列(图1d)。作者注意到,每个给体/受体对之间的HOMO-HOMO和LUMO-LU- MO能量之差都足够大(> 0.3 eV),这保证足够的驱动力,达到有效的激子解离。

结果表明,PTB7-Th(D1):PBDTTS-FTAZ(D2):PNDI-T10(A)的比例为1 : 0.15 : 1时,三元全聚合物太阳能电池传统器件的效率最高(9.0%),开路电压(Voc)为0.84 V,短路电流密 度明显增大至14.4 mA/cm2,填充因子提高至0.74。该比例下,倒装器件的效率也达到了9.0%,其他参数与传统器件相当(表1)。为了探究最佳比例的三元共混全聚合物电池效率最高的机理,作 者还对其光物理及形貌进行了探究,发现加入第二给体后,同时产生了更多的自由电荷及能量传输。