中國科學(xué)院聚合物光伏太陽能電池取得進(jìn)展

      聚合物光伏材料的分子結(jié)構(gòu)與其光伏性能具有十分密切的關(guān)系。根據(jù)目前報(bào)道的結(jié)果來看，對光伏聚合物的分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化大多是針對某一個(gè)聚合物來進(jìn)行的，也就是說，對于不同的分子結(jié)構(gòu)，人們需要采用不同的方式對其進(jìn)行優(yōu)化。這不僅增大了分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作的難度，也容易導(dǎo)致錯(cuò)過很多具有潛力的分子結(jié)構(gòu)單元。因此，找到一種能改善聚合物光伏性能的具有廣泛適用性的方法將是一項(xiàng)十分重要的工作。
在中國科學(xué)院、科技部、國家自然科學(xué)基金委和化學(xué)所的大力支持下，化學(xué)所高分子物理與化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在聚合物光伏材料的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面最近取得系列進(jìn)展。

     研究人員將二維共軛結(jié)構(gòu)引入到苯并二噻吩(BDT)單元中，設(shè)計(jì)了如圖1所示的噻吩取代BDT二維共軛結(jié)構(gòu)單元，并將這一單元與各種共軛結(jié)構(gòu)單元共聚，獲得了一系列的具有二維共軛結(jié)構(gòu)的共軛聚合物（見圖1）。光伏測試結(jié)果表明，這類二維共軛聚合物與烷氧基取代的對應(yīng)聚合物相比，光伏能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）都得到了有效的提升（見圖1和圖2, 相關(guān)結(jié)果發(fā)表于Macromolecules 2011, 44, 4035 ; Macromolecules 2012, 45, 3032 ; Macromolecules 2012, DOI:10.1021/ma301254x ; Chem. Commun. 2011, 47, 8850 ; J. Mater. Chem. 2012, DOI: 10.1039/c2jm32931j））。其中基于二維共軛聚合物PBDTTT-C-T的聚合物太陽能電池的效率提高到7.6%（Angew. Chem. Int. Ed.，2011，50，9697）。他們與香港大學(xué)合作，通過使用新型器件結(jié)構(gòu)，使PBDTTT-C-T的光伏效率進(jìn)一步提高到8.79% (Adv. Mater., 2012，24，3046)。PBDTTT-C-T為目前最好的聚合物光伏材料之一。他們還與美國馬薩諸塞大學(xué)（University of Massachusetts）的研究人員合作、通過射掠X射線衍射對聚合物太陽能電池活性層形貌進(jìn)行了清晰地表征（Adv. Mater.，2012，24）。



圖2 含噻吩共軛支鏈的二維共軛聚合物與含烷氧基支鏈的非二維共軛聚合物光伏性能對比（青色——非二維共軛聚合物；橙色——二維共軛聚合物）

同時(shí)，研究人員還把強(qiáng)吸電子基團(tuán)sulfonyl引入到聚合物PBDTTT中合成了PBDTTT-S,該聚合物具有較低的HOMO能級，基于PBDTTT-S的光伏器件PCE達(dá)到6.22%, 開路電壓達(dá)到0.76 V（Chem. Commun. 2011, 47: 8904）。最近，他們通過插入噻吩p-橋和噻吩取代制備了二維共軛聚合物PBDTDTTT-S-T，該聚合物具有較好的平面結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的鏈間相互作用，基于PBDTDTTT-S-T的聚合物太陽能電池的PCE最高達(dá)到7.81%（Adv. Mater., 2012, 24, 3383）。

需要指出的是，采用二維共軛概念對聚合物的光伏性能進(jìn)行改進(jìn)是2004年由化學(xué)所研究人員首次提出（專利：（1）“一種支鏈共軛聚噻吩衍生物材料及其制備方法”，中國發(fā)明專利，申請日：2004年11月1日。授權(quán)公告日：2007年10月31日，專利號：ZL 2004 1 0088723.8；（2）“一種兩維共軛聚合物及其制備方法與應(yīng)用”，中國發(fā)明專利，申請日：2005年11月20日。授權(quán)公告日：2010年5月5日，專利號：ZL 2005 1 0132380.5；代表性論文：J. Am. Chem. Soc.,2006, 128, 4911；Macromolecules,2006, 39, 594）。目前取得的研究成果是他們二維共軛聚合物光伏材料研究工作的有力延續(xù)。