化学所在聚合物太阳电池商量方面获取新进展

在光能转化为电能方面,全高分子太阳能电池采用p型高分子半导体和n型高分子半导体的共混物作为活性层,与传统的无机太阳能电池相比,具有柔性、成本低、重量轻的突出优点,已成为太阳能电池研究的重要方向之一。但是,n型高分子半导体的种类和数量远远少于p型高分子半导体,因此开发n型高分子半导体材料是发展全高分子太阳能电池的核心。

聚合物太阳能电池具有结构和制备过程简单、成本低、重量轻、可制备成柔性器件等突出优点,成为近年来国内外研究热点。将富勒烯衍生物受体用n-型有机半导体材料取代,可以克服富勒烯受体存在的可见光区吸光弱、能级调控困难和形貌稳定性差等缺点,近年来受到研究者的关注。多种性能优异的非富勒烯型受体被设计出来,如窄带隙n-型聚合物受体N2200和有机半导体受体ITIC。

太阳能是取之不尽用之不竭的清洁能源,近年来随着世界各国对环境问题的重视,将太阳能转换成电能的太阳能电池成为各国科学界研究的热点和产业界开发、推广的重点。相对于无机太阳能电池,聚合物太阳能电池具有成本低、制作工艺简单、重量轻、可制备成柔性器件等突出优点,另外共轭聚合物材料种类繁多、可设计性强,通过材料的改性可以有效地提高太阳能电池的性能。因此,这类太阳能电池具有重要发展和应用前景,成为重要的研究方向。

中国科学院长春应用化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室刘俊课题组,提出采用硼氮配位键降低共轭高分子的LUMO/HOMO能级,发展n型高分子半导体的策略,并发展出两类含硼氮配位键的n型高分子半导体受体材料,其全高分子太阳能电池器件效率与经典的酰亚胺类n型高分子半导体相近。

中国科学院化学研究所有机固体院重点实验室李永舫课题组研究人员发展了一系列基于噻吩取代苯并二噻吩与苯并三氮唑单元的中间带隙二维共轭聚合物给体材料,通过侧链工程降低了HOMO能级,增强了链间相互作用,提高了空穴迁移率。使基于这类聚合物为给体、ITIC为受体的非富勒烯聚合物太阳能电池的能量转换效率达到11.4%。

在科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和化学所的支持下,化学所高分子物理与化学国家重点实验室的科研人员与有机固体科研人员合作,最近在共轭聚合物光伏材料上取得系列进展。

该课题组首先阐明了硼氮配位键降低共轭高分子LUMO/HOMO能级的基本原理,首次将硼氮配位键引入到n型高分子半导体的分子设计中(Angew.
Chem. Int. Ed
., 2015, 54,
3648)。进而提出了两种用硼氮配位键设计n型高分子半导体受体材料的分子设计方法:一是在共轭高分子的重复单元中,用一个硼氮配位键取代碳碳共价键,使共轭高分子的LUMO/HOMO能级同时降低0.5–0.6eV,将常见的p型高分子半导体给体材料转变为n型高分子半导体受体材料(Angew.
Chem. Int. Ed.
, 2016, 55,
5313);二是先设计基于硼氮配位键的新型缺电子单元——双硼氮桥联联吡啶,再用于构建n型高分子半导体受体材料(Angew.
Chem. Int. Ed.
, 2016, 55, 1436)。

研究人员在前期工作中发现,BTA单元上的两个氢原子被氟原子取代,聚合物的HOMO能级下移0.13
eV,同时空穴迁移率显著提高(Chem.
Mater
. 2012,24,
3247-3254)。利用这类聚合物在可见-近红外区与ITIC受体吸收互补的特点,制备了以这类聚合物为给体、ITIC为受体的非富勒烯聚合物太阳能电池。得益于氟取代聚合物J51较低的HOMO能级和较高的空穴迁移率,与无氟取代的聚合物J50相比,基于J51器件的开路电压(Voc)从0.71
V提高到0.82 V,能量转换效率从4.80%提高到9.26% (Adv. Mater.2016, 28,
8288-8295)。考虑到0.82
V的Voc仍然不够高,研究人员根据先前的经验(Energy Environ. Sci.2014,
7,
2276-2284),将硫烷基引入到BDTT单元的噻吩共轭侧链上进一步降低了聚合物的HOMO能级,同时还使其吸收光谱红移。另外还发现所得聚合物J61更有利于采取平行于衬底方向的分子排列,这些因素都有利于提升光伏性能。基于J61与ITIC的器件Voc和PCE分别提高到约0.9
V和9.52% (J. Am. Chem. Soc.2016, 138,
4657-4664),通过器件进一步优化使效率达到了10.57 % (J. Am. Chem. Soc.2016, 138, 15011-15018)。

在宽带隙聚合物太阳能电池给体材料中,一直以来以MEH-PPV,
P3HT等宽带隙材料作为单层或者叠层光伏器件的主要材料。最近,他们设计合成了一种基于并噻唑的宽带隙D-A共聚物,其能量转换效率达到5.2%,为带宽在2.0
eV以上聚合物光电转化效率目前的文献报道最高值,研究结果发表在Macromolecules上(Macromolecules,
2011, 44,
4035–4037),并成为发表当月该期刊下载量前十。他们还首次将吸电子基团砜基引入到PBDTTT共聚物中合成了聚合物PBDTTT-S,该聚合物具有宽的吸收和较低的HOMO能级,以该聚合物为给体、PC70BM为受体的聚合物太阳能电池开路电压达到0.76
V, 能量转换效率达到了6.22%(Chem. Commun., 2011*, 47,
8904-8906);同时,使用BDT单元的同分异构体BDP单元构建了新的聚合物光伏材料,开路电压高达0.8V、效率达到5.2%(
Chem.
Commun., 2011, 47*, 8850-8852)。