全聚合物非富勒烯叠层太阳能电池

基于全聚合物给受体材料的有机光伏器件近年来取得了突破性进展。聚合物电子受体材料可以很好的弥补传统富勒烯受体材料在可见和近红外区域的吸光系数较低，化学结构修饰困难，相区热稳定性差等缺点。同时聚合物受体材料具有良好的机械性能和形貌稳定性。全聚合物太阳电池在便携式充电、光伏一体化建筑和新型可穿戴电子器件等方面具有良好的应用前景。但目前其光电转换效率仍无法满足产业应用要求，还需开发具有窄带隙、高迁移率和高稳定性的聚合物材料，优化器件结构并进行深入系统的研究。

成果简介

近日，苏州大学功能纳米与软物质研究院的马万里教授团队在Advanced Energy Materials上在线发表了题为Improved Tandem All-Polymer Solar Cells Performance by Using Spectrally Matched Sub-Cells的论文。该论文采用三元组分规整型共轭聚合物主链的设计思路，并引入了氢(H)-氟(F)原子取代的分子改性策略，报道了一种新型的三元组分具有近红外区域响应的高效聚合物给体材料PBFSF。高规整性的分子主链结构保证了材料的高载流子迁移率，通过H-F原子取代可以有效增强分子间的相互作用力，增强材料的结晶性。采用经典的N型共轭聚合物N2200作为电子受体，制备了单节光电转换效率达到6%的全聚合物非富勒烯电池器件。通过对器件的外量子效率和活性层的吸收进行表征，我们发现基于PBFSF/N2200的器件在600-800 nm有较强的光响应，而在紫外和可见光区域的吸收和光谱响应却很低，这些结果表明PBFSF/N2200是一种理想的用于叠层器件后置子电池的活性层材料。结合我们前期报道的高效宽带隙全聚合物电池PTP8/P(NDI2HD-T)，我们在国际上首次报道了高效全聚合物电池器件，实现了8.3%的光电转换效率，这也是叠层全聚合物电池文献报道的最高效率。目前全聚合物电池活性层厚度只有80 nm左右，虽然可以减少载流子在传输过程中的复合，但是却降低了活性层对太阳光的利用效率，我们的结果表明构建吸收光谱匹配的叠层电池可以有效提升全聚合物太阳能电池的光电转换效率。

图文导读

图1 三元组分结构规整型共轭聚合物的合成路线

图2 新型聚合物的主链分子骨架模拟，变温紫外可见吸收谱图和薄膜的GIWAXS测试图

图3 单节全聚合物太阳能电池电流-电压曲线和器件外量子效率曲线

图4 叠层全聚合物太阳能电池

(a)叠层全聚合物太阳能电池器件结构

(b)活性层聚合物材料的吸收光谱与太阳光辐射光谱对比

(c)单节和叠层全聚合物太阳能电池的电流-电压曲线

(d)叠层全聚合物太阳能电池的外量子效率曲线

图5 目前文献报道的基于N2200作为电子受体的电池器件效率分布图