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三元共混全聚合物太陽能電池，效率再提高

來源: x-mol 2017-11-09 13:57:54

眾多光伏技術(shù)中，聚合物太陽能電池的優(yōu)勢(shì)在于價(jià)廉、質(zhì)輕、柔性且可制造大面積器件，這與當(dāng)前電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)相同，因而頗受科研人員的關(guān)注。目前，基于富勒烯受體PCBM的單節(jié)聚合物太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）已經(jīng)超過了11%。但是富勒烯受體材料也有一些問題還沒有被徹底解決，比如合成成本較高、吸收較弱、帶隙不合適、形貌不穩(wěn)定等等。為了克服富勒烯類受體材料的缺陷，非富勒烯材料受到了極大關(guān)注。其中，全聚合物太陽能電池（all-polymer solar cells，all-PSCs）由于價(jià)廉、光譜及能級(jí)可調(diào)、形貌及機(jī)械穩(wěn)定性好，成為了研究的熱點(diǎn)。過去五年內(nèi)，全聚合物太陽能電池的效率已經(jīng)從2%迅速增長(zhǎng)到9%。但是，由于聚合物半導(dǎo)體的吸收較窄，全聚合物太陽能電池的光電性能也受到限制。一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方法是采用三元共混的思路：使用兩個(gè)吸收互補(bǔ)的給體聚合物與一個(gè)受體形成三元共混電池，這個(gè)策略與兩元電池相似，都在器件性能及穩(wěn)定性方面展現(xiàn)出了巨大進(jìn)步。

相對(duì)于PCBM及小分子受體，聚合物受體有較多優(yōu)勢(shì)，例如合成容易且成本低，具有更好的成膜性以及機(jī)械和熱穩(wěn)定性。兩元全聚合物太陽能電池發(fā)展迅速，不過，至今還沒有三元共混全聚合物電池性能超過的高效率兩元體系的例子，其中一個(gè)重要原因是多元共混聚合物膜的形貌無法達(dá)到最佳。最近，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的王二剛（Ergang Wang）教授、Xiaofeng Xu博士和埃因霍溫理工大學(xué)的Rene? A. J. Janssen教授等研究者在PTB7-Th與PNDI-T10的混合物中引入寬帶隙聚合物PBDTTS-FTAZ作為第二給體，通過優(yōu)化PBDTTS-FTAZ的含量，所得三元全聚合物太陽能電池短路電流密度（Jsc）達(dá)到14.4 mA/cm2，填充因子（FF）高達(dá)0.74，傳統(tǒng)器件與倒裝器件的效率都可以達(dá)到9.0%。這是迄今報(bào)道的效率最高的三元全聚合物共混電池之一。相關(guān)論文發(fā)表在Energy Environ. Sci. 雜志，Zhaojun Li為第一作者。

圖1. （a）聚合物結(jié)構(gòu); （b）聚合物薄膜中的吸光因數(shù); （c）不同比例二元及三元共混膜的吸光因數(shù); （d）聚合物的能級(jí)示意圖。圖片來源：Energy Environ. Sci.

由于PTB7-Th:PNDI-T10的共混物在可見光吸收比較弱，通過引入PBDTTS-FTAZ作為第二給體材料構(gòu)建三元共混體系可以實(shí)現(xiàn)可見光區(qū)域的吸收。PTB7-Th與PNDI-T10的吸收主要在550-850 nm區(qū)域重疊，而PBDTTS-FTAZ在450-650 nm的可見光區(qū)域有更強(qiáng)的吸收，這對(duì)于PTB7-Th與PNDI-T10剛好是一個(gè)彌補(bǔ)（圖1b）。隨著PBDTTS-FTAZ含量增加，三元共混體系的吸收逐步增強(qiáng)，這與作者的預(yù)期完全相符（圖1c）。另外，三種聚合物的LUMO能級(jí)呈很好的階梯狀排列，但是HOMO卻不是如此排列（圖1d）。作者注意到，每個(gè)給體/受體對(duì)之間的HOMO-HOMO和LUMO-LUMO能量之差都足夠大（> 0.3 eV），這保證足夠的驅(qū)動(dòng)力，達(dá)到有效的激子解離。

作者隨后制備了三元全聚合物太陽能電池相關(guān)器件。其中，器件優(yōu)化是通過優(yōu)化不同的溶劑退火時(shí)間而實(shí)現(xiàn)。非常有趣的是，正裝器件與倒裝器件的各項(xiàng)參數(shù)都隨PBDTTS-FTAZ的含量變化呈現(xiàn)出了相同的趨勢(shì)。PBDTTS-FTAZ的含量從0增大到15%，短路電流密度、填充因子以及效率都逐步增大；隨后，PBDTTS-FTAZ的含量在15%-30%，這些參數(shù)迅速下降（圖2）。

圖2. 正裝電池的電流-電壓曲線（a）及外量子效率曲線（b）; 倒裝電池的電流-電壓曲線（c）及外量子效率曲線（d）; （e）三元共混電池中隨著PBDTTS-FTAZ重量變化器件各項(xiàng)參數(shù)的變化。圖片來源：Energy Environ. Sci.

結(jié)果表明，PTB7-Th（D1）：PBDTTS-FTAZ（D2）：PNDI-T10（A）的比例為1 : 0.15 : 1時(shí)，三元全聚合物太陽能電池傳統(tǒng)器件的效率最高（9.0%），開路電壓（Voc）為0.84 V，短路電流密度明顯增大至14.4 mA/cm2，填充因子提高至0.74。該比例下，倒裝器件的效率也達(dá)到了9.0%，其他參數(shù)與傳統(tǒng)器件相當(dāng)（表1）。為了探究最佳比例的三元共混全聚合物電池效率最高的機(jī)理，作者還對(duì)其光物理及形貌進(jìn)行了探究，發(fā)現(xiàn)加入第二給體后，同時(shí)產(chǎn)生了更多的自由電荷及能量傳輸。

表1. 器件參數(shù)表。圖片來源：Energy Environ. Sci.

總之，優(yōu)化的三元共混薄膜的吸收拓寬、形貌優(yōu)化以及復(fù)合損失降低，從而提搞了短路電流密度、填充因子以及光電轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)。希望這一工作能讓全聚合物太陽能電池更貼近實(shí)用。

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