对活性层膜厚和面积不敏感的高效非富勒烯聚合物太阳能电池

随着经济的不断发展，能源和环境危机日益加剧，人们对新型无污染可再生能源的需求也越来越迫切。聚合物太阳能电池作为众多光伏技术中的一种，具有廉价、质轻、可制备柔性及器件面积大等优点，因此受到科研人员的广泛关注。近两年来，非富勒烯受体的成功合成极大地推动了整个聚合物太阳能电池领域的发展，基于宽带隙聚合物为给体、稠环非富勒烯小分子为受体的聚合物太阳能电池的效率已经超过13%。然而，基于此类体系的高效宽带隙聚合物给体的种类十分有限，并且对活性层膜厚较为敏感，一定程度上限制了聚合物太阳能电池的进一步发展。

苏州大学先进光电材料重点实验室的张茂杰教授（点击查看介绍）设计合成了一种以并噻唑为受体单元的共轭聚合物给体材料PTZ1，其光学带隙为1.97 eV，HOMO能级为-5.31 eV，空穴迁移率高达3.86×10^-3cm^-2•V^-1•s^-1。前期的工作中，该研究团队使用PTZ1作为给体、富勒烯作为受体制备的单层太阳能电池的效率为7.7% (V_oc = 0.94 V)，PTZ1 : PCBM为前电池，PBDTTT-C-T : PCBM为后电池的叠层太阳能电池获得了1.65 V的开路电压和10.3%的能量转化效率。相关工作发表在Journal of Materials Chemistry A 上¹。

鉴于该类给体材料的吸收光谱与非富勒烯受体IDIC具有很好的互补作用，该研究团队利用PTZ1与非富勒烯受体IDIC共混制备了非富勒烯聚合物太阳能电池，取得了0.92 V的开路电压、16.4 mA•m^-2的短路电流和0.76的填充因子，电池效率达到11.5%，相关论文发表在Advanced Materials 上²。

图1.（a）聚合物给体和小分子受体的结构式；（b）吸收曲线；（c）能级示意图。

他们又针对该非富勒烯体系制备了不同活性层厚度和不同面积的器件，发现在活性层膜厚范围为75-210 nm、器件面积为0.04-0.81 cm²之间时均可以得到较为优异的光伏转化性能。活性层膜厚在210 nm时能量转换效率为9.6%，在活性层面积增大到0.81 cm²时仍然可以获得10.5%的能量转化效率。基于聚合物给体材料具有较高的空穴迁移率，共混膜具有良好的互穿网络结构形貌。上述结果表明，该活性层体系适用于大面积器件的制备，一定程度上推动了聚合物太阳能电池的产业化进程。

图2.（a）不同活性层膜厚时的电流-电压曲线；（b）外量子效率曲线；（c）器件效率和活性层膜厚的关系图；（d）不同器件面积时的电流-电压曲线。

表1. 不同活性层厚度和不同器件面积太阳能电池的光伏参数表

相关成果发表在Journal of Materials Chemistry A以及Advanced Materials 上，论文的第一作者是苏州大学的博士研究生郭冰和李万宾。

1. 该论文作者为：Bing Guo, Xia Guo, Wanbin Li, Xiangyi Meng, Wei Ma, Maojie Zhang and Yongfang Li

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）：

A wide-bandgap conjugated polymer for highly efficient inverted single and tandem polymer solar cells

J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 13251, DOI: 10.1039/C6TA04950H

2. 该论文作者为：Bing Guo, Wanbin Li, Xia Guo, Xiangyi Meng, Wei Ma, Maojie Zhang, Yongfang Li

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）：

High Efficiency Nonfullerene Polymer Solar Cells with Thick Active Layer and Large Area

Adv. Mater., 2017, 29, 1702291, DOI: 10.1002/adma.201702291

张茂杰教授简介

张茂杰，苏州大学材料与化学化工学部教授；2011年毕业于中国科学院化学研究所获得博士学位，导师李永舫院士；2011年至2014年在中国科学院化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室工作；2013年获北京市科学技术奖二等奖，2014年获国家基金委优秀青年科学基金资助；2014年9月受聘苏州大学，教授、博士生导师。

张茂杰主要从事有机光伏材料与器件方面的研究工作，迄今为止共发表SCI研究论文90余篇，授权中国专利2项，包括Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Chem. Mater.、Macromolecules 等；SCI他人引用4000余次，H因子37；其中10篇论文单篇他人引用超过100次，12篇论文入选ESI高被引论文，2篇论文入选“中国百篇最具影响国际学术论文”。

http://www.x-mol.com/university/faculty/43043