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    三元共混全聚合物太阳能电池,效率再提高

    2017-11-09 13:57 来源:x-mol 点击:0

    三元共混全聚合物太阳能电池,效率再提高

    众多光伏技术中,聚合物太阳能电池的优势在于价廉、质轻、柔性且可制造大面积器件,这与当前电子产品的发展趋势相同,因而颇受科研人员的关注。目前,基于富勒烯受体PCBM的单节聚合物太阳能电池的光电转换效率(PCE)已经超过了11%。但是富勒烯受体材料也有一些问题还没有被彻底解决,比如合成成本较高、吸收较弱、带隙不合适、形貌不稳定等等。为了克服富勒烯类受体材料的缺陷,非富勒烯材料受到了极大关注。其中,全聚合物太阳能电池(all-polymer solar cells,all-PSCs)由于价廉、光谱及能级可调、形貌及机械稳定性好,成为了研究的热点。过去五年内,全聚合物太阳能电池的效率已经从2%迅速增长到9%。但是,由于聚合物半导体的吸收较窄,全聚合物太阳能电池的光电性能也受到限制。一个简单的解决方法是采用三元共混的思路:使用两个吸收互补的给体聚合物与一个受体形成三元共混电池,这个策略与两元电池相似,都在器件性能及稳定性方面展现出了巨大进步。


    相对于PCBM及小分子受体,聚合物受体有较多优势,例如合成容易且成本低,具有更好的成膜性以及机械和热稳定性。两元全聚合物太阳能电池发展迅速,不过,至今还没有三元共混全聚合物电池性能超过的高效率两元体系的例子,其中一个重要原因是多元共混聚合物膜的形貌无法达到最佳。最近,瑞典查尔姆斯理工大学的王二刚(Ergang Wang)教授、Xiaofeng Xu博士和埃因霍温理工大学的René A. J. Janssen教授等研究者在PTB7-Th与PNDI-T10的混合物中引入宽带隙聚合物PBDTTS-FTAZ作为第二给体,通过优化PBDTTS-FTAZ的含量,所得三元全聚合物太阳能电池短路电流密度(Jsc)达到14.4 mA/cm2,填充因子(FF)高达0.74,传统器件与倒装器件的效率都可以达到9.0%。这是迄今报道的效率最高的三元全聚合物共混电池之一。相关论文发表在Energy Environ. Sci. 杂志,Zhaojun Li为第一作者。

    图1. (a) 聚合物结构; (b) 聚合物薄膜中的吸光因数; (c) 不同比例二元及三元共混膜的吸光因数; (d) 聚合物的能级示意图。图片来源:Energy Environ. Sci.


    由于PTB7-Th:PNDI-T10的共混物在可见光吸收比较弱,通过引入PBDTTS-FTAZ作为第二给体材料构建三元共混体系可以实现可见光区域的吸收。PTB7-Th与PNDI-T10的吸收主要在550-850 nm区域重叠,而PBDTTS-FTAZ在450-650 nm的可见光区域有更强的吸收,这对于PTB7-Th与PNDI-T10刚好是一个弥补(图1b)。随着PBDTTS-FTAZ含量增加,三元共混体系的吸收逐步增强,这与作者的预期完全相符(图1c)。另外,三种聚合物的LUMO能级呈很好的阶梯状排列,但是HOMO却不是如此排列(图1d)。作者注意到,每个给体/受体对之间的HOMO-HOMO和LUMO-LUMO能量之差都足够大(> 0.3 eV),这保证足够的驱动力,达到有效的激子解离。


    作者随后制备了三元全聚合物太阳能电池相关器件。其中,器件优化是通过优化不同的溶剂退火时间而实现。非常有趣的是,正装器件与倒装器件的各项参数都随PBDTTS-FTAZ的含量变化呈现出了相同的趋势。PBDTTS-FTAZ的含量从0增大到15%,短路电流密度、填充因子以及效率都逐步增大;随后,PBDTTS-FTAZ的含量在15%-30%,这些参数迅速下降(图2)。

    图2. 正装电池的电流-电压曲线(a)及外量子效率曲线(b); 倒装电池的电流-电压曲线(c)及外量子效率曲线(d); (e) 三元共混电池中随着PBDTTS-FTAZ重量变化器件各项参数的变化。图片来源:Energy Environ. Sci.


    结果表明,PTB7-Th(D1):PBDTTS-FTAZ(D2):PNDI-T10(A)的比例为1 : 0.15 : 1时,三元全聚合物太阳能电池传统器件的效率最高(9.0%),开路电压(Voc)为0.84 V,短路电流密度明显增大至14.4 mA/cm2,填充因子提高至0.74。该比例下,倒装器件的效率也达到了9.0%,其他参数与传统器件相当(表1)。为了探究最佳比例的三元共混全聚合物电池效率最高的机理,作者还对其光物理及形貌进行了探究,发现加入第二给体后,同时产生了更多的自由电荷及能量传输。

    表1. 器件参数表。图片来源:Energy Environ. Sci.


    总之,优化的三元共混薄膜的吸收拓宽、形貌优化以及复合损失降低,从而提搞了短路电流密度、填充因子以及光电转换效率等参数。希望这一工作能让全聚合物太阳能电池更贴近实用。