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高效、稳定且具有互补吸收的给/受体全聚合物太阳能电池
近几年来，基于富勒烯受体PCBM的聚合物太阳能电池受到科学家们的广泛研究和关注，单节太阳能电池的转化效率也高达11%。但是富勒烯衍生物本身所具有的不稳定性以及高成本，使得科学家开始寻找能代替它们的受体材料，以适应实际生产的应用。全聚合物太阳能电池，以及体异质结聚合物给体和聚合物受体，也引起了广泛科学家的关注。聚合物受体材料可以克服PCBM本身所具有的一些缺点，例如成本高、吸收弱、能级匹配差以及热稳定性差等。受体聚合物自由的分子设计可以很好的调节光电性能，从而使得给受体之间具有更好的匹配，以实现高效的全聚合物太阳能电池器件。此外有报道显示全聚合物太阳能电池比基于PCBM的太阳能电池具有更好的稳定性，这可能是由于随着时间的推移，PCBM相会随着分子扩散发生较大的聚集。因此合成新型聚合物受体也成为科学家们研究的重点。
图1. 给受体聚合物的化学结构以及器件结构示意图。图片来源：Adv. Energy. Mater.
最近，瑞典查尔姆斯理工大学Xiaofeng Xu博士、王二刚（Ergang Wang）教授和埃因霍芬理工大学René A. J. Janssen教授等人在Adv. Energy. Mater. 杂志上报道了基于NDI的全聚合物受体材料，并详细阐述了正装和倒装器件结构的性能特点。通过给受体聚合物之间的吸收互补有效提高了器件效率，并且通过稳定性测试发现，基于PBDTTS-FTAZ:PNDI-T10（见图1）的全聚合电池在60天内可以保持6.9%的效率。
图2. 全聚合材料吸收示意图：(a) 纯聚合物薄膜；(b) 纯聚合物溶液；(c) D/A聚合物薄膜；(d) 活性层模拟吸收图。图片来源：Adv. Energy. Mater.
纯聚合物和混合薄膜的吸收性能如图2所示，两个给体聚合物的吸收均在400-700 nm，而三个受体由于π-π*跃迁以及分子内的ICT作用也呈现出来不同吸收带。聚合物受体PNDI-T10和N2200表现出互补的吸收谱图，而PNDI-T蓝移的吸收与给体聚合物部分重叠。
图3. 基于PBDTTS-FTAZ电池的J-V曲线(a)正装，(c)倒装；以及相应的EQE曲线(b)正装，(d)倒装。图片来源：Adv. Energy. Mater.
表1. 全聚合物太阳能电池光伏器件参数
图片来源：Adv. Energy. Mater.
作者选用给受体为2:1比例分别制备了正装和倒装全聚合物器件，相应的光伏数据见表1，J-V曲线见图3。其中基于PBDTTS-FTAZ:PNDI-T10的倒装电池器件获得高达6.9%的效率，开路电压、短路电流、填充因子分别为0.89 V, 12.3 mA cm-2和 0.63。
图4. 混合薄膜在400 nm激发下的瞬态PL。图片来源：Adv. Energy. Mater.
在电池器件中，激子分离以及电荷复合严重影响光电流的产生。在本文中作者也做了相应研究，通过瞬态PL可以看出给受体聚合物的激子并不能有效的猝灭，并且PL光谱部分重叠，因此很难将它们拆分到单独给体或者受体单元上。
图5. 稳定性测试。图片来源：Adv. Energy. Mater.
最后，作者在20 ℃的手套箱中，测试了没有包封的基于PBDTTS-FTAZ的正装和倒装器件的稳定性（图5）。正装器件的效率在短时间内迅速下降，而倒装器件在60天后仍能保持90%以上的器件效率。
效率和稳定性仍然是限制全聚合物太阳能电池发展的瓶颈，本文的工作为开发新型高效稳定聚合物受体做出了新的尝试。
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High-Performance and Stable All-Polymer Solar Cells Using Donor and Acceptor Polymers with Complementary Absorption
Adv. Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201602722
（本文由科研小顽童供稿）