中科院化学所侯剑辉JACS：聚合物太阳能电池能量转换效率获得14.2%的新突破！

【 作者、单位信息 】

第一作者：李荪荪

通讯作者：侯剑辉

第一单位：中国科学院化学研究所

【 本文亮点 】

1.合成出一种具有低HOMO能级、宽带隙的聚合物给体材料。

2.该聚合物由于具有直线型支链而提高了其聚集和π-π堆积性能。

3.该聚合物在倒置结构下，使器件的转换效率达到14.2%。

【 背景介绍 】

聚合物太阳电池（Polymer solar cells，PSCs），由于其质量轻、柔性、较低的生产成本等优点，已经被看作为有前景的可再生能源技术。其中，PSCs的活性层材料设计是该领域最受瞩目的研究方向之一。在近三年内，A-D-A型小分子受体（SMAs）材料的发展已使得不含富勒烯的PSCs的效率（PCEs）达到13%。但是，基于上述受体材料的PSCs的开路电压（V_oc）仍相对较低，这主要是由于A-D-A型小分子受体材料具有较低的最高非占据轨道（LUMO）能级所致。为了在保持较高的短路电流密度（J_sc）的条件下提高V_oc，具有宽带隙（WBG）且最高占据轨道（HOMO）能级较低给体聚合物成为必然，从而与SMAs在界面的能级排列相匹配。截至目前，尽管已有基于WBG的聚合物：SMA的高效器件被报道，但大多聚合物的HOMO能级由于过高而不能使器件实现高的Voc。因此，设计出具有更低HOMO能级的WBG聚合物成为了进一步使PSCs的效率有所突破的关键。

最近，中国科学院化学研究所侯剑辉团队于JACS杂志上报道了系列基于PDTB-EF-T的给体聚合物（P1，P2，P3）。三个聚合物的差异在于连接在羧基上侧链的不同（见图1）。该系列聚合物均具有较低的HOMO能级，其中，P2由于所连接的线性癸基表现出较强的链间π-π相互作用，和更有序的π-π堆积，使其聚集效应和分子堆积性质较P1和P3均得到有效调节。因此，表现更高的空穴迁移率，实现了最平衡的电荷和空穴传输，抑制了电荷重组，进一步提高了其构建器件的J_sc，并显著改善了填充因子（FF），导致器件的PCEs达到14.2%（认证PCEs为13.9%），成为目前单结PSCs中性能效率最高的电池。

图1 聚合物P1，P2，P3的结构。

【 全文解析 】

研究人员测试了聚合物P1、P2、P3和受体材料IT-4F在固态下和在稀释氯苯中的UV吸收（图2（b）和（c））。从图中可以看出，给、受体材料的UV形成互补，且无论在固态还是液相中，最大吸收峰随P2、P1、P3表现出轻微蓝移和消光系数的减小，表明引入线型侧链可使分子间π-π相互作用增强。同时，为了考察聚合物的聚集性质，研究人员还测试了随温度变化的UV吸收（图2（d））。从图中可以看出，P2的最大吸收峰红移程度比P1和P3更明显，表明P2的聚集效应更明显。

图2 （a）给、受体材料界面能级排列（b）固态下的吸收光谱（c）给体在氯苯溶剂中的吸收光谱（d）给体随温度降低而表现出最大吸收峰的红移。

所构建的常规结构ITO/PEDOT:PSS/PDTB-EF-T:IT-4F/PFN-Br/Al下的优化电流密度与电压关系图（J-V）、外量子产率图（EQE）、电池的光电流（J_ph）与有效电压（V_eff）之间的关系、以及短路电流密度（J_sc）随光强度的变化关系如图3中所示。首先可从图3（a）看到，三个聚合物均实现了0.90 V的电压，主要原因在于其较低的HOMO能级。其次图3（b）的三个聚合物对应的器件的EQE在300-800 nm范围内均表现出了宽的响应，主要是由于三个聚合物均与受体IT-4F的吸收光谱形成了较好的互补所致。另外，图3（c）中J_ph-V_eff表明基于P2的器件在最大功率输出条件下，其复合损失最小。与此同时，测得的J_sc-P_light关系表明基于P2器件的指数因子（S）为1.00，而基于P1和P3器件的S分别为0.94和0.91，意味着基于P2器件的双分子复合可以忽略不计。进一步对三个复合物器件的电子迁移率的测定，发现其电子迁移率均接近，和其空穴迁移率相比，发现P2的电子和空穴迁移率比值μ_e/μ_h = 1.1，表明基于P2器件中的载流子迁移最为平衡。

图3 （a）J-V曲线（b）AM 1.5G, 100mW cm-2条件下的外量子产率（c）电池的光电流（J_ph）与有效电压（V_eff）之间的关系（d）短路电流密度（J_sc）随光强度（Plight）的变化关系

研究人员同时借助原子力显微镜（AFM）测试发现P1、P2、P3分别与IT-4F的混合薄膜均具有平滑性近似的表面，粗糙度为2 nm（图4（a）-（f）），并且从相图中未观察到大的团聚出现。同时还通过2D掠入射广角X射线散射（GIWAXS）观察到P2:IT-4F较其他两个混合薄膜表现出更有序和紧密的π-π堆积层，有利于其层中更高的载流子迁移率。

图4 原子力显微镜（AFM）测试的P1:IT-4F （a, d）、P2:IT-4F（b, e）、P3:IT-4F（c, f）混合薄膜的表面相图，以及通过2D掠入射广角X射线散射（GIWAXS）观察到的优化后薄膜的平面外方向（OOP）和平面内方向（IP）曲线。

为了评估P1、P2、P3所对应的器件性能，研究人员制备了器件结构分别为常规ITO/PEDOT:PSS/PDTB-EF-T:IT-4F/Au和倒置ITO/ZnO/active layer/MoO₃/Al的太阳能电池器件。通过器件优化发现，基于P2:IT-4F的器件在倒置结构下获得了最高能量转换效率14.2%（V_oc为0.900 V, J_sc为20.73 mA cm^-2, FF为0.76），表明引入长且线型的侧链可以显著提高器件性能。

图5 （a）AM 1.5G, 100 mW cm⁻²条件下测得的基于P2:IT-4F 的不同电池结构下的J−V 曲线（b）基于P2:IT-4F器件的认证效率曲线（c）常规和倒置电池结构下的填充因子（FF）值的分布统计（d）XPS测得的P2和IT-4F形成混合薄膜前后的C/S 比 以及N 组分（图中混合薄膜1 和 混合薄膜 2 分别代表P2:IT-4F混合薄膜在 PEDOT:PSS 和ZnO基底上的投影）（e）透射电镜截面图

【 总结 】

研究人员通过与受体材料能级的匹配设计了系列聚合物，并引入不同的饱和侧链来提高聚合物的聚集效应、π-π堆积、空穴迁移率，并抑制了混合薄膜层中的复合。最终，使聚合物实现了较低的HOMO能级及进一步增大的Voc的同时，使聚合物表现出强的聚集效应、有序的堆积、以及平衡的载流子迁移率。该工作为设计高效聚合物提供了铺垫。

【 文献信息 】

A Wide Band Gap Polymer with a Deep Highest Occupied Molecular Orbital Level Enables 14.2% Efficiency in Polymer Solar Cells. J. Am. Chem. Soc., 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b02695

供稿 | 深圳市清新电源研究院

部门 | 媒体信息中心科技情报部

撰稿人 | 丁伟璐

主编 | 张哲旭

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