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中科院化學(xué)所李永舫院士、張志國(guó)副研究員和國(guó)家納米中心魏志祥研究員合作在低成本高效聚合物給體光伏材料方面取得重要研究進(jìn)展
2018-02-28  來(lái)源:中國(guó)聚合物網(wǎng)

  聚合物太陽(yáng)能電池由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(jī)半導(dǎo)體受體的共混活性層夾在透明導(dǎo)電電極和金屬電極之間所組成,具有可溶液加工、質(zhì)量輕、以及可制備成柔性和半透明器件等突出優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)成為全球能源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。聚合物太陽(yáng)能電池的商業(yè)應(yīng)用需要實(shí)現(xiàn)器件的高效率、高穩(wěn)定性以及低成本,這主要依賴于光伏材料的發(fā)展。

  自1995年Alan J. Heeger等提出本體異質(zhì)結(jié)概念以來(lái),聚合物太陽(yáng)能電池光伏材料和器件的研究獲得了持續(xù)的發(fā)展。在研究的早期階段,器件的效率很低,研究的關(guān)注點(diǎn)主要是提高效率,通過(guò)設(shè)計(jì)和合成窄帶系、寬吸收和具有較低HOMO能級(jí)的聚合物給體光伏材料,以及具有較高LUMO能級(jí)的富勒烯衍生物受體光伏材料,來(lái)提高器件的短路電流、開(kāi)路電壓和能量轉(zhuǎn)換效率。近年來(lái),隨著窄帶隙非富勒烯n-型有機(jī)半導(dǎo)體受體光伏材料以及與之吸收互補(bǔ)的寬帶隙聚合物給體光伏材料的發(fā)展,聚合物太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率獲得快速提升,最近實(shí)驗(yàn)室小面積器件的效率已經(jīng)突破12~13%,達(dá)到了可以向?qū)嶋H應(yīng)用發(fā)展的門檻。因此,提高穩(wěn)定性和降低成本就成為了實(shí)現(xiàn)聚合物太陽(yáng)能電池實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。但是,當(dāng)前已報(bào)道的高效光伏材料大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、合成困難,很難滿足商業(yè)應(yīng)用的需求。開(kāi)發(fā)低成本高效光伏材料將是聚合物太陽(yáng)能電池商業(yè)應(yīng)用的巨大挑戰(zhàn)。

  在國(guó)家自然科學(xué)基金委和中科院先導(dǎo)項(xiàng)目的支持下,中科院化學(xué)所有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李永舫院士張志國(guó)副研究員國(guó)家納米科學(xué)中心魏志祥研究員合作設(shè)計(jì)并合成了一個(gè)低成本高效的聚合物給體材料PTQ10(分子結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1(a))。PTQ10是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的D-A共聚物,其中噻吩環(huán)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(cè)鏈?zhǔn)菫榱颂岣呔酆衔锏娜芙庑圆⒃鰪?qiáng)光吸收、引入雙氟原子取代以降低聚合物的HOMO能級(jí)和提高空穴遷移率。該分子可以通過(guò)廉價(jià)的原材料兩步合成(圖1(c))并同時(shí)實(shí)現(xiàn)接近90%的總產(chǎn)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(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的n-型有機(jī)半導(dǎo)體IDIC(圖1(a))為受體制備的聚合物太陽(yáng)能電池(器件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1(b))的最高能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到12.70%,同時(shí)反向結(jié)構(gòu)器件的效率也達(dá)到了12.13%(由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院確認(rèn)的效率為12%)。而且活性層厚度在100nm至300nm范圍內(nèi)器件效率都能超過(guò)10%,這非常有利于器件的大面積制備。與當(dāng)前文獻(xiàn)報(bào)道的效率超過(guò)10%的其它高效聚合物給體光伏材料相比,PTQ10無(wú)論是合成步驟、產(chǎn)率和效率上都具有非常突出的優(yōu)勢(shì)(見(jiàn)圖1(d,e))。考慮到低成本、高效率和厚度不敏感等優(yōu)點(diǎn),PTQ10極有希望成為聚合物太陽(yáng)能電池商業(yè)應(yīng)用中的聚合物給體材料。

圖1 (a)給體PTQ10和受體IDIC的分子結(jié)構(gòu);(b)電池器件結(jié)構(gòu)圖;(c)PTQ10的合成路線;(d)和(e)聚合物太陽(yáng)能電池給體材料合成步驟、產(chǎn)率與效率的對(duì)比分析圖。

  該工作2月21日在《自然通訊》上發(fā)表。

  論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-03207-x

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