通過分子結(jié)構(gòu)調(diào)控方法實現(xiàn)非富勒烯型有機太陽能電池在綠色溶劑中的應(yīng)用

陳立桅

中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所，江蘇 蘇州 215123

1 背景介紹

有機光伏電池具有成本低、制備工藝簡單、可實現(xiàn)柔性器件等獨特優(yōu)勢，成為近年來世界范圍內(nèi)的研究熱點，并在過去二十年內(nèi)得到了迅速的發(fā)展1。近年來，通過對活性層材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與器件制備工藝的優(yōu)化，采用A-D-A型非富勒烯小分子作為受體材料的有機太陽能電池的研究已使能量轉(zhuǎn)換效率推進至16%以上2。實現(xiàn)高能量轉(zhuǎn)換效率是推進有機太陽能電池走向應(yīng)用的必要條件，但在此過程中仍有關(guān)鍵技術(shù)問題亟待解決，采用綠色溶劑對活性層體系進行加工便是其中重要的一項挑戰(zhàn)3。

在當前的研究工作中，受限于共軛聚合物在綠色溶劑中溶解度較低，可以獲得高能量轉(zhuǎn)換效率的有機太陽能電池器件大多采用氯苯、二氯苯、氯仿等含鹵/芳香試劑來制備活性層溶液4-6，此類溶劑毒性較高，會對環(huán)境及人類健康造成不可預(yù)估的危害，因此不適用于有機太陽能電池的工業(yè)化生產(chǎn)。

北京科技大學化學與生物工程學院張少青副教授采用擴大聚合物側(cè)鏈共軛結(jié)構(gòu)與增長烷基鏈長度的方式，合成了一種新型給體聚合物PBDB-DT，有效改善了共軛聚合物在低毒性溶劑中的溶解度。當將其應(yīng)用到有機光伏器件活性層體系中，可以保持10.2%的能量轉(zhuǎn)換效率。該工作已在物理化學學報上在線發(fā)表(doi: 10.3866/PKU.WHXB201904037)7。

2 研究亮點

(1)在已報道的高性能給體材料PBDB-T的分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將其烷基側(cè)鏈2-乙基己基替換為2-丁基辛基，有效提高了新型聚合物PBDB-DT在四氫呋喃中的溶解度，這也是共軛聚合物的重要設(shè)計策略之一。

(2) PBDB-DT中較長的柔性烷基側(cè)鏈保證了在四氫呋喃中良好的溶解度，同時，作者采用擴大側(cè)鏈中共軛面積的方式，將原有的噻吩共軛側(cè)基替換為共軛面積更大的并噻吩共軛側(cè)基，大大增強了聚合物在溶劑中的溶液聚集作用，這一特性對于在非富勒烯型有機太陽能器件中獲得良好的光伏性能至關(guān)重要。

3 圖文解析

要點1 材料分子結(jié)構(gòu)的改進

本篇工作作者在聚合物PBDB-T的分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用擴大共軛側(cè)鏈與增長烷基側(cè)鏈的方式，增強了新型聚合物PBDB-DT在四氫呋喃中的溶解度，并協(xié)同增強了共軛聚合物在溶液中的聚集作用。新型聚合物單體的合成步驟如圖1所示，PBDB-DT采用Stille偶聯(lián)的方式聚合，有利于獲得較高的分子量。

要點2 新型聚合物PBDB-DT的基本光電性能表征

PBDB-T與PBDB-DT的熱分解溫度分別為440與470 °C，表明將側(cè)鏈結(jié)構(gòu)中的噻吩單元替換成具有更大共軛平面結(jié)構(gòu)的并噻吩之后，可以有效提高材料的熱穩(wěn)定性(圖2a)。如圖2b，c所示，PBDBT和PBDB-DT表現(xiàn)出相似的吸收特性且二者在溶液中均存在鏈間聚集作用，這一特征有利于在本體異質(zhì)結(jié)型有機光伏器件的共混薄膜中獲得較為理想的微觀形貌。同時，二者均可以與受體材料ITM在可見光區(qū)形成良好的光譜互補，有助于在有機太陽能電池器件中獲得較好的光電流。通過循環(huán)伏安測試表明(圖2d)，兩個聚合物均能與IT-M形成合適的能級差，可以實現(xiàn)電荷的有效拆分。

要點3 光伏性能與活性層微觀形貌的研究

作者采用非富勒烯小分子IT-M作為受體材料，分別以PBDB-T與PBDB-DT作為給體材料，系統(tǒng)研究了以四氫呋喃作為主溶劑的太陽能器件的光伏性能。由于PBDB-T在四氫呋喃中溶解度較低，基于PBDB-T:IT-M的光伏器件的能量轉(zhuǎn)換效率僅為6.41%，而得益于在四氫呋喃中良好的溶解度，及在溶劑中保持得較好的鏈間聚集作用，基于PBDB-DT:IT-M的光伏器件中可以觀察到整體分布均勻，適宜的活性層相分離結(jié)構(gòu)(圖3)，因此可獲得10.2%的最優(yōu)的能量轉(zhuǎn)換效率(圖4)。

圖1 PBDB-DT的合成路線，化合物PBDB-T、PBDB-DT與IT-M的分子結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 在最優(yōu)器件制備條件下共混活性層的AFM高度圖與相圖：(a，c) PBDB-T:IT-M；(b，d) PBDB-DT:IT-M。

圖4 (a)基于兩種聚合物材料為給體，在標準測試條件下AM 1.5G (100 mW·cm-2)，采用綠色溶劑在最佳器件制備條件下的J-V曲線，(b)相對應(yīng)的外量子效率曲線(EQE)。

4 全文小結(jié)

該工作基于高效率給體聚合物PBDB-T，通過增長烷基柔性側(cè)鏈與擴大共軛側(cè)鏈的方式，設(shè)計并合成了一種新型聚合物給體材料PBDB-DT。PBDBDT在綠色溶劑四氫呋喃中表現(xiàn)出良好的溶解性能，并可以保持聚合物給體在溶液中的鏈間聚集作用。當采用四氫呋喃作為主加工溶劑時，通過調(diào)節(jié)不同添加劑及其比例，基于PBDB-DT:IT-M的器件可以獲得10.2%的能量轉(zhuǎn)換效率，為非富勒烯太陽能電池在綠色溶劑的應(yīng)用方向提供了一種有效的分子設(shè)計方法。