聚合物太陽電池由p-型共軛聚合物給體和富勒烯衍生物或非富勒烯n-型有機半導(dǎo)體受體的共混活性層夾在透明導(dǎo)電電極和金屬電極之間所組成，具有可溶液加工、質(zhì)量輕以及可制備成柔性和半透明器件等突出優(yōu)點，近年來成為全球能源領(lǐng)域研究的熱點。聚合物太陽電池的商業(yè)應(yīng)用需要實現(xiàn)器件的高效率、高穩(wěn)定性以及低成本，這主要依賴于光伏材料的發(fā)展。
自1995年Alan J. Heeger等提出本體異質(zhì)結(jié)概念以來，聚合物太陽電池光伏材料和器件的研究獲得了持續(xù)發(fā)展。在研究的早期階段，器件的效率很低，研究的關(guān)注點主要是提高效率，通過設(shè)計和合成窄帶系、寬吸收和具有較低HOMO能級的聚合物給體光伏材料，以及具有較高LUMO能級的富勒烯衍生物受體光伏材料，來提高器件的短路電流、開路電壓和能量轉(zhuǎn)換效率。近年來，隨著窄帶隙非富勒烯n-型有機半導(dǎo)體受體光伏材料以及與之吸收互補的寬帶隙聚合物給體光伏材料的發(fā)展，聚合物太陽電池的能量轉(zhuǎn)換效率獲得快速提升，最近實驗室小面積器件的效率已經(jīng)突破12~13%，達到了可以向?qū)嶋H應(yīng)用發(fā)展的門檻。因此，提高穩(wěn)定性和降低成本就成為了實現(xiàn)聚合物太陽電池實際應(yīng)用的關(guān)鍵。但是，當(dāng)前已報道的高效光伏材料大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、合成困難，很難滿足商業(yè)應(yīng)用的需求。開發(fā)低成本高效光伏材料將是聚合物太陽電池商業(yè)應(yīng)用的巨大挑戰(zhàn)。
在國家自然科學(xué)基金委員會和中國科學(xué)院有關(guān)項目的支持下，中科院院士、中科院化學(xué)研究所有機固體院重點實驗室研究員李永舫課題組研究人員最近設(shè)計并合成了一個低成本高效的聚合物給體材料PTQ10（分子結(jié)構(gòu)見圖a）。PTQ10是一種結(jié)構(gòu)簡單的D-A共聚物，其中噻吩環(huán)作為給體單元、喹喔啉作為受體單元。在喹喔啉上引入烷氧基側(cè)鏈?zhǔn)菫榱颂岣呔酆衔锏娜芙庑圆⒃鰪姽馕铡⒁腚p氟原子取代以降低聚合物的HOMO能級和提高空穴遷移率。該分子可以通過廉價的原材料兩步合成（圖c）并同時實現(xiàn)接近90%的總產(chǎn)率，使得該材料的成本大大降低。更重要的是，使用PTQ10為給體、結(jié)構(gòu)相對簡單的n-型有機半導(dǎo)體IDIC（圖a）為受體制備的聚合物太陽電池（器件結(jié)構(gòu)見圖b）的最高能量轉(zhuǎn)換效率達到12.70%，同時反向結(jié)構(gòu)器件的效率也達到了12.13%（由中國計量科學(xué)研究院確認(rèn)的效率為12%）。同時，活性層厚度在100nm至300nm范圍內(nèi)器件效率都能超過10%，這非常有利于器件的大面積制備。與當(dāng)前文獻報道的效率超過10%的其它高效聚合物給體光伏材料相比，PTQ10無論是合成步驟、產(chǎn)率和效率上都具有非常突出的優(yōu)勢（圖d,e）。
考慮到低成本、高效率和厚度不敏感等優(yōu)點，PTQ10極有希望成為聚合物太陽電池商業(yè)應(yīng)用中的聚合物給體材料。該工作2月21日在《自然-通訊》發(fā)表（Nat. Commun. 2018, 9, 743）。
（a）給體PTQ10和受體IDIC的分子結(jié)構(gòu)；（b）電池器件結(jié)構(gòu)圖；（c）PTQ10的合成路線；（d）和（e）聚合物太陽電池給體材料合成步驟、產(chǎn)率與效率的對比分析圖。
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