具有优异稳定性能的全聚合物太阳能电池

      随着非富勒烯受体材料的不断发展,单结聚合物/小分子太阳能电池的光电转换效率目前已经突破13%,全聚合物太阳能电池的光电转换效率也已经突破10%。聚合物受体具有热稳定性及机械稳定性好、材料可以大批量合成、化学结构可调等优点,有利于可穿戴设备、太阳能电池建筑等实际应用的发展。但目前现有光电转换效率无法满足大面积产业化的要求,调节给/受体比例是优化器件的一个有效途径。目前,太阳能电池对给/受体比例的敏感性还没有得到明确的研究。

最近,苏州大学功能纳米与软物质研究院的马万里教授团队报道了具有优异比例稳定性的全聚合物太阳能电池。作者采用目前效率较高的全聚合物太阳能电池体系即PBDB-T作为电子给体,N2200作为电子受体以及聚合物/小分子体系即PBDB-T作为电子给体,ITIC作为电子受体来进行研究。通过调节溶液中的给/受体的比例分别制备全聚合物太阳能电池和聚合物/小分子太阳能电池器件,发现全聚合物太阳能电池表现出更好的比例稳定性。同时,作者对器件的热稳定性进行测试,发现全聚合物太阳能电池尤其是高给/受体比例下的全聚合物太阳能电池表现出极好的热稳定性,在70天内,效率无明显下降。该文章发表在国际知名期刊Adv. Energy Mater.上(影响因子:16.721),博士研究生张燕南为论文的第一作者,马万里教授和袁建宇副研究员为论文的共同通讯作者。

具有优异稳定性能的全聚合物太阳能电池

图1. 基于小分子ITIC受体和N2200受体的非富勒电池

作者测试了全聚合物太阳能电池和聚合物/小分子太阳能电池的器件参数随给/受体比例的变化情况,发现和聚合物/小分子体系相比,全聚合物太阳能电池在高给/受体比例时更加稳定,当给/受体比例为10/1时,全聚合物器件效率保持为最高值的60%,而聚合物/小分子器件效率则趋于0。

具有优异稳定性能的全聚合物太阳能电池

图2. 器件参数随给/受体比例的变化曲线

作者同时将未封装的器件保存在N2氛围下,研究器件的暗态稳定性和热稳定性(80℃),发现全聚合物太阳能电池尤其是高给/受体比例下的全聚合物太阳能电池表现出极好的热稳定性,在70天内,效率无明显下降,而聚合物/小分子器件效率降低为原来的54%。

具有优异稳定性能的全聚合物太阳能电池

图3. 太阳能电池在暗态以及80℃加热条件下的稳定性曲线

作者研究了全聚合物太阳能电池和聚合物/小分子太阳能电池在高给/受体比例下的电荷传输性能,发现全聚合物太阳能电池体系载流子的传输更有效,通过对薄膜形貌的表征以及暗电流的测试,证实了实验结果。

该工作报道了比例稳定性和热稳定性优异的全聚合物太阳能电池,为以后大规模的实际应用提供一定的基础。非富勒烯太阳能电池中的全聚合物太阳能电池虽然目前效率还有待提高,但是其具有独特的比例稳定性,和优异的热稳定性还有耐弯曲特性,在未来制作大面积和柔性太阳能电池中有潜在的巨大优势。

Yannan Zhang, Yalong Xu, Michael J. Ford, Fangchao Li,Jianxia Sun, Xufeng Ling, Yongjie Wang, Jinan Gu, Jianyu Yuan, Wanli Ma, Thermally Stable All-Polymer Solar Cells with High Tolerance on Blend Ratios, Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201800029

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参考文献: