單組份有機太陽能電池納米相分離調控新策略

吳 凱

北京大學化學與分子工程學院，北京 100871

(a) 給受體材料、單組份聚合物結構以及共軛骨架理論計算；(b)，(c) 聚合物薄膜的AFM和TEM表征，1、2、3分別對應PBDTPBI、S-PBDTPBI和SF-PBDTPBI；(d) 聚合物薄膜的排列模型及GISAXS表征；(e) 聚合物的GIWAXS表征，e1、e2、e3、e4分別對應PBDTPBI，S-PBDTPBI、SF-PBDTPBI和PBDTT；(f) 單組分太陽電池器件性能表征，f1、f2為AM1.5G光譜下的電流-電壓曲線和外量子效率，f3、f4為活性層吸光系數(shù)和內量子效率。

有機太陽能電池因其質輕、柔性、結構可調、可溶液加工等特點具有潛在的應用前景，近年來成為研究熱點。其中，雙組份或多組分的本體異質結型太陽能電池的研究最為深入，其能量轉換效率已超過13%1,2；然而這類器件存在優(yōu)化步驟多、穩(wěn)定性差等缺點，不利于大面積制備。單組份太陽能電池中電子給體與受體通過共價鍵連接組成單一組份的活性層，使器件相對穩(wěn)定。單組份聚合物的設計主要有“rod-rod”或“rod-coil”型的嵌段共聚物，以及給、受體各自分布在主鏈與側鏈的“double-cable”型共軛聚合物3–7。但由于該類聚合物結構復雜且形貌難以調控，存在激子分離與電荷傳輸效率低的問題，導致其光電能量轉換效率相對較低，大都未超過3%。2017年8月，中國科學院化學研究所李韋偉研究員課題組報道了一組主鏈為吡咯并吡咯二酮(DPP)類給體骨架、側鏈為苝酰亞胺(PBI)受體的“double-cable”型共軛聚合物8，通過延長連接給受體的烷基鏈長度，改善聚合物的結晶性，調節(jié)聚合物薄膜中的相分離，使單組份電池的能量轉換效率達到2.74%。

最近，該課題組提出了直線型共軛骨架為主鏈的分子設計策略，實現(xiàn)“double-cable”型共軛聚合物中小尺度的納米相分離，從而提升單組份太陽能電池的能量轉換效率。該課題組以苯并二噻吩(BDT)的均聚物PBDTT為給體共軛主鏈，PBI為側鏈受體單元，合成了一組共軛主鏈為直線型的“double-cable”型共軛聚合物9，并將硫原子和氟原子引入到BDT的側鏈噻吩上以調節(jié)聚合物的能級和結晶性。通過對薄膜形貌表征發(fā)現(xiàn)，該聚合物的給體共軛主鏈 PBDTT以及受體單元 PBI在薄膜中具有“face-on”的堆積取向和小尺寸的納米相分離結構(大約 5 nm)，這有利于單組份電池中的激子分離和電荷傳輸。基于這類聚合物的單組份太陽電池能量轉換效率達到了4.18%，外量子效率和內量子效率分別達到了0.65和0.80，是當前單組份有機太陽電池的最高性能之一。

該研究工作近期已在Journal of the American Chemical Society上在線發(fā)表9。該工作表明，通過采用直線型共軛主鏈的設計策略，單組份聚合物可以獲得優(yōu)異的納米相分離結構，進而實現(xiàn)高性能的單組份有機太陽能電池。該工作將對單組份太陽能電池的研究具有重大的推動作用。