用于聚合物太陽電池的低成本高效聚合物給體光伏材料

劉忠范

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871

(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，e)聚合物太陽電池給體材料合成步驟、產(chǎn)率與效率的對(duì)比分析圖

聚合物太陽電池由 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)，近年來成為能源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)1。聚合物太陽電池的商業(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。

聚合物太陽電池研究的早期階段，器件效率很低，研究的關(guān)注點(diǎn)主要是提高效率，通過設(shè)計(jì)和合成窄帶系、寬吸收和具有較低最高占有分子軌道(HOMO)能級(jí)的聚合物給體光伏材料，以及具有較高最低空分子軌道(LUMO)能級(jí)的富勒烯衍生物受體光伏材料，來提高器件的短路電流、開路電壓和能量轉(zhuǎn)換效率。近年來，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。開發(fā)低成本高效光伏材料是聚合物太陽電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用的巨大挑戰(zhàn)。

最近，中國科學(xué)院化學(xué)研究所李永舫研究組設(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)見圖a)，相關(guān)研究成果發(fā)表在近期的Nature Communications上2。PTQ10是一種結(jié)構(gòu)簡單的給體-受體(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。該分子可以通過廉價(jià)的原材料兩步合成(圖 c)，并且總產(chǎn)率接近90%，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)簡單的n-型有機(jī)半導(dǎo)體IDIC (圖a)為受體制備的聚合物太陽電池(器件結(jié)構(gòu)見圖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 100–300 nm 范圍內(nèi)器件效率都能超過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 10%的其它高效聚合物給體光伏材料相比，PTQ10無論是合成步驟、產(chǎn)率和效率上都具有非常突出的優(yōu)勢(見圖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電池商業(yè)應(yīng)用中的聚合物給體材料。