在本體異質(zhì)結(jié)聚合物太陽電池中,活性層形貌對電池性能影響很大。人們通過各種方法,如慢增長、溶劑添加劑、熱退火、后退火等,來獲得納米尺寸相分離的雙連續(xù)互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的活性層來改善器件的性能;钚詫右话闶怯筛叻悬c溶劑(氯苯或二氯苯)溶解,再進(jìn)行溶液旋涂,通過對溶劑蒸氣壓、蒸氣壓升高速率和處理時間的控制可以達(dá)到對共混薄膜的形貌的優(yōu)化。2005 年,Yang Yang研究組Gang Li等基于 P3HT: PCBM 體系發(fā)明了慢增長和溶劑退火方法,其原理是在溶劑緩慢揮發(fā)過程中,活性層可以有足夠的時間完成自組裝,獲得的給受體相結(jié)構(gòu)更有利于載流子遷移。慢增長制備的P3HT: PCBM器件能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)4.4%,F(xiàn)F 達(dá)67%。聚合物在溶液中發(fā)生聚集是一種比較重要的現(xiàn)象,聚集程度受溶液濃度、溶劑種類以及溫度影響比較大。已有研究證明聚合物在溶液中的聚集狀態(tài)在旋涂成膜過程中會被最大限度的保留下來并存在于薄膜中,因此,聚合物在溶液中的聚集程度能夠影響薄膜的形貌。目前,人們對聚集對器件性能的影響已有深入的研究。例如,UCLA Y. Yang組報道了通過控制聚合物鏈的聚集來調(diào)節(jié)MEH-PPV薄膜的光學(xué)和電學(xué)性能。L. Janssen組研究了通過優(yōu)化活性層加工條件來控制聚合物聚集對聚合物太陽電池性能的影響。而以上研究中所采用的控制聚合物聚集的方法主要是優(yōu)化溶液旋涂條件(聚合物溶液的濃度、溶劑的選擇、旋轉(zhuǎn)速度等)。
聚合物在溶液中的聚集受溫度的影響也是很大的,而通過調(diào)節(jié)溶液溫度來控制聚合物聚集程度,進(jìn)而調(diào)控活性層形貌的研究至今還沒有報道。2012年中科院化學(xué)所侯劍輝組控制溶液的加熱溫度對PBDTBDD/PC61BM的相形態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)(如下圖所示), 研究表明在較低溫度下制備的共混膜中相區(qū)分布更均勻,相區(qū)尺寸更小,從而實現(xiàn)高于70%的填充因子,該工作發(fā)表在Macromolecules上。中科院化學(xué)所侯劍輝課題組進(jìn)一步將該二維共軛聚合物PBDTBDD應(yīng)用到高LUMO能級的雙取代PCBM受體,即Bis-PCBM, 在使用二元溶劑(DCB/DIO)優(yōu)化后效率達(dá)到6.07%,該結(jié)果是基于高LUMO能級受體Bis-PCBM和ICBA文獻(xiàn)報道的最高值,開路電壓高達(dá)1.00V,填充因子達(dá)到60%,性能相較于目前廣泛采用的P3HT/ICBA體系毫不遜色。這表明該體系是一類極具潛力的藍(lán)光吸光層,有望用于高效串聯(lián)或并聯(lián)器件中,該結(jié)果發(fā)表在J. Phys. Chem. C上。
2014年初,中科院化學(xué)所李永舫院士課題組、侯劍輝研究員課題組、華北電力大學(xué)譚占鰲教授課題組合作,采用新型修飾層ZrOx制備的基于PBDTBDD/PC71BM的聚合物太陽能電池,效率達(dá)9%,發(fā)表在Scientific Reports上。 最近化學(xué)所侯劍輝研究組和王朝暉研究組進(jìn)一步將PBDTBDD用于非富勒烯受體中,獲得了高達(dá)4.4%的能量轉(zhuǎn)換效率,這是非富勒烯小分子受體體系的最好結(jié)果,發(fā)表在Small上。這些工作有力表明PBDTBDD是一類高效的聚合物光伏材料,有望在多種器件結(jié)構(gòu)得到推廣。
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4個附件![新型共軛聚合物在高效有機光伏器件中的應(yīng)用]()
JPCC Bis-PCBM.jpg |