全聚合物非富勒烯太阳能电池：优势与挑战

基于低温溶液制程的聚合物/富勒烯太阳能电池具有独特的优势：价格低、质量轻、柔性和半透明，在过去的二十年里引起众多科研工作者的关注。但富勒烯及衍生物在可见光和近红外区的吸收弱、化学合成步骤繁琐、电学性能和分子结构固定，导致进一步提高聚合物/富勒烯太阳能电池的效率受到限制。全聚合物太阳能电池的受体材料是聚合物，具有可见光区强而宽的吸收，在结构和能级上具有很高的调控度，所以全聚合物太阳能电池有望代替聚合物/富勒烯太阳能电池。然而到目前为止，全聚合物太阳能电池的最高效率为9.0%，相比于聚合物/富勒烯太阳能电池~13%的效率仍然存在很大的差距。N2200作为全聚合物中最成功的受体材料具有很好的性能和优势，系统研究N2200和富勒烯受体PCBM的差异有利于我们深入了解全聚合物太阳能电池的优势，继续发展面临的挑战。

最近，苏州大学功能纳米与软物质研究院的马万里教授（点击查看介绍）课题组系统地报道了两种电池体系的差异，详细分析了目前全聚合物太阳能电池的电荷产生、分离、输运和复合的全过程，探讨了全聚合物太阳能电池的优势和目前转换效率受限的原因。他们选取了课题组前期报道的全共轭侧链修饰的聚合物PTP8 （Adv. Mater., 2014, 26, 3624-3630）作为给体，系统研究了采用PCBM和N2200作为电子受体的差异。他们前期报道了基于PTP8/N2200的全聚合物太阳能电池器件（J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 7077-7085），实现了4.3%的光电转换效率，这也是当时文献报道的此类电池的最高值之一。基于聚合物受体N2200的电池器件虽然增强了对太阳光的吸收，但相比于PCBM的器件，器件短路电流并没有提高，反而呈现明显的下降(8.8 mA/cm² vs 11.0 mA/cm²)，填充因子也出现下降(0.52 vs 0.59)，这与理论预期存在很大的差距。他们通过调研文献发现，短路电流密度和填充因子的损失是目前全聚合物太阳能电池普遍存在的问题，亟需对此进行深入研究。

苏州大学袁建宇副研究员等人系统地研究了PTP8/N2200全聚合物太阳能电池中的电荷产生、摄取、传输等过程，相比于[70]PCBM的电池器件，采用聚合物作为电子受体，器件的空穴和电子迁移率出现明显下降，电荷产生的过程受到明显抑制。他们通过与复旦大学赵海斌教授课题组合作，采用超快瞬态吸收光谱，发现在全电池器件中的激子本征复合超过50%，而在PCBM电池中激子的本征复合仅为~7%，成为抑制电池性能的重要原因。虽然激子复合显著增强，但全电池器件表现出明显降低的开路电压损失（(E_loss =E_g– eV_oc），通过材料激发态（E_ct）测试发现，全聚合物太阳能电池能有效降低E_ct 的损失和非辐射损失，全聚合物电池的E_loss 值为0.53 eV，明显低于PCBM体系电池的0.78 eV, 这也是目前文献报道的有机太阳能电池开路电压损失的最小值之一，说明全聚合物太阳能电池理论上可以实现更高的光电转换效率。

前期广泛的聚合物/富勒烯研究表明，光敏活性层的形貌与激子的产生、分离和传输密切相关。系统地研究全聚合物体相异质结的薄膜对理解其激子本征复合增加的原因具有重要意义。结合原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜(TEM)、差式扫描量热(DSC)和先进的二维X射线散射(2D-GIWAXS)的形貌表征，我们发现共轭聚合物在混合薄膜中的分子取向是导致聚合物-聚合物电池器件本征复合较高的重要原因，电子受体材料N2200在混合物薄膜中的无规取向分布抑制了电子的传输和激子分离，同时增加了激子本征复合的几率。富勒烯分子的电荷传输各向同性，导致在聚合物-PCBM薄膜中PCBM的排列和取向对激子的分离影响较小。而聚合物的传输机制为沿着聚合物共轭主链和共轭分子之间的π-π跳跃传输，材料的电荷传输能力无法实现各向同性，因此需要给体聚合物和受体聚合物在界面处有一定尺度的结晶以及合适的分子取向(Face to Face或者是Edge to Edge)，这样在理论上能实现激子产生后的高效分离，利用全聚合物吸光能力强的优势，提升电池的光电转换效率。

这一成果近期发表在Nano Energy 上，文章的第一作者是苏州大学袁建宇副研究员，共同通讯作者是复旦大学赵海斌教授和苏州大学马万里教授。

该论文作者为：Jianyu Yuan, Wenping Guo, Yuxin Xia, Michael J. Ford, Feng Jin, Dongyang Liu, Haibin Zhao, Olle Inganäs, Guillermo C. Bazan, Wanli Ma

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Comparing the device physics, dynamics and morphology of polymer solar cells employing conventional PCBM and non-fullerene polymer acceptor N2200

Nano Energy., 2017, 35, 251-262, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.03.050

导师介绍

马万里

http://www.x-mol.com/university/faculty/18395