环境友好型溶剂制备高效稳定非富勒烯聚合物太阳能电池

基于富勒烯的太阳能电池其光电转换效率（PCE）在过去20年间已经出现了巨大突破，不过富勒烯受体材料存在的一些缺陷，比如可见光及近红外区的较弱吸收，难以彻底解决。非富勒烯材料给有机光伏（OPV）领域带来了新鲜血液，引起了众多科研工作者的兴趣。为了克服富勒烯受体材料的缺陷，一系列新型小分子受体材料陆续被开发出来。这一系列成功的小分子受体的共性是：两边采用IC或者氟代IC，中间是由苯及噻吩构造的稠环，其中比较著名当属ITIC。

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迄今为止，非富勒烯小分子受体的数目已经比较多了，但是传统的聚合物与现有的小分子受体并不能很好的匹配，所以设计构造新颖的聚合物给体材料的需求十分迫切。而互补的吸收可以使得活性层能够有效的利用太阳光并产生更多的激子，因此具有互补吸收的给受体材料在高效非富勒烯聚合物太阳能电池中至关重要。到目前为止，高效的聚合物太阳能电池全部是溶液加工的，但是由于多数绿色溶剂对给受体的溶解性非常差，多数情况下不得不使用环境不友好的有机溶剂进行制备。这种大环境下，开发新的无毒绿色溶剂体系成为关注重点。此外，稳定性因素也是制约聚合物太阳能电池效率增长及实际生产应用的重要因素。所以选择绿色溶剂，提高稳定性，利用非富勒烯受体的优势，一方面能突破现有的效率极限，一方面还能更接近实用化。近日，韩国高丽大学Min Ju Cho、Dong Hoon Choi 等人设计合成了一种可溶于非卤代溶剂的宽带隙聚合物3MT-Th，与ITIC构成聚合物太阳能电池的活性层，PCE可达9.73%。另外，该聚合物太阳能电池的使用寿命超过1000 h，在连续光照下可保持稳定。

作者利用传统的给体单元BDT与带有酯基的噻吩作为弱受体单元构筑了新型的聚合物给体3MT-Th（图1a），其溶液剂薄膜吸收如图1b所示，可以看到给受体材料的薄膜吸收具有非常好的互补。而通过倒装器件的能级示意图可以看出，其两个材料的能级非常吻合（图1c）。

图1. （a）聚合物给体材料3MT-Th及受体ITIC的结构；（b）给受体材料溶液剂薄膜下的吸收；（c）电池各层的能级示意图；（d）给受体材料的荧光光谱。图片来源：Adv. Energy Mater.

作者选用了不同的取代苯作为制备器件的溶剂，例如甲苯、邻二甲苯及1,3,5-三甲基苯。如图2a及表1所示，利用1,3,5-三甲基苯制备的器件，其性能非常差；而换做邻二甲苯之后，电流明显增大，PCE也随之增大；当利用甲苯作溶剂，其PCE达到了最大值，高达9.73%。作为参比的PTB7-Th，利用氯苯作为溶剂，PCE只有6.12%，可见本文中设计的聚合物材料及溶剂的选择都恰到好处。此外，作者利用原子力显微镜（AFM）、透射电镜（TEM）观察微结构，发现利用甲苯作溶剂的活性层拥有非常好的形貌，这也从一个角度解释了器件的高效率。

图2. （a）利用不同溶剂制备的光伏器件的电流-电压曲线；（b）对应的外量子效率曲线。图片来源：Adv. Energy Mater.

表1. 不同溶剂制备的光伏器件的器件参数表。图片来源：Adv. Energy Mater.

值得注意的是，作者测试了没有包封的器件的稳定性。他们将器件置于手套箱外，分别测试了3MT-Th:ITIC与PTB7-Th:ITIC两个体系的稳定性。1100小时之后，3MT-Th:ITIC各项光伏参数的几乎不变（图3a），不同时间的电流-电压曲线接近重合（图3c）。而对比之下，PTB7-Th:ITIC体系随着时间的变化，光伏参数及效率都在明显衰减（图3b及图3d）。

图3. 在外界条件下储存1100小时的稳定性测试；（a）3MT-Th:ITIC利用甲苯制作的器件；（b）PTB7-Th:ITIC 利用甲苯制作的器件；（c）3MT-Th:ITIC不同时间的电流-电压曲线；（d）PTB7-Th:ITIC不同时间的电流-电压曲线。图片来源：Adv. Energy Mater.

笔者以为，有机太阳能电池发展至今，新材料数不胜数，可是接近生产、考虑溶剂是否绿色以及器件稳定性这种“接地气”的研究还较少。希望以后有更多类似研究出现，更早实现产业化。

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Eco-Friendly Solvent-Processed Fullerene-Free Polymer Solar Cells with over 9.7% Efficiency and Long-Term Performance Stability

Adv. Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.20170056