化学所在聚合物太阳能电池能量研究方面取得新突破

2010-12-09 16:31 来源: 中国科学院
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P3HT和ICBA的分子结构以及基于P3HT/ICBA聚合物太阳能电池的器件结构和光伏性能 

  聚合物太阳能电池一般由共轭聚合物给体和富勒烯衍生物受体的共混膜夹在ITO透明正极和金属负极之间所组成,具有结构和制备过程简单、成本低、重量轻、可制备成柔性器件等突出优点,近年来成为国内外研究热点。结构规整的聚(3-己基)噻吩(P3HT)和可溶性C60衍生物PCBM是最具代表性的给体和受体光伏材料。基于P3HT/PCBM的光伏器件能量转换效率稳定达到3.5~4.0%左右,使这一体系成为聚合物太阳能电池研究的标准体系。但P3HT/PCBM体系也存在电子能级匹配性不好(P3HT的HOMO能级太高或者说PCBM的LUMO能级太低)的问题,这导致了器件的开路电压较低,只有0.6 V左右,这限制了其能量转换效率的进一步提高。

  在国家自然科学基金委重点项目、中美双边国际合作项目和化学所分子科学中心创新项目的支持下,中科院化学研究所有机固体院重点实验室的科研人员从2009年开始开展新型富勒烯衍生物受体光伏材料的研究。他们首先研究了PCBM取代基上中间碳链长度对光伏性能的影响,发现中间碳链短一个碳或长两个碳的C60衍生物的光伏性能比PCBM稍优(Adv. Funct. Mater. 2010,20,1480-1487)。接着他们合成了一种茚双加成C60衍生物ICBA(分子结构见图),其LUMO能级较PCBM上移0.17 eV,在AM1.5, 100 mW/cm2光照条件下,基于P3HT/ICBA的光伏器件开路电压达到0.84 V,能量转换效率达到5.44%,而同样条件下,P3HT/PCBM体系的开路电压只有0.58 V,能量转换效率3.88%(J. Am. Chem. Soc.,2010,132,1377-1382)。为了改进C60衍生物可见区吸收较弱的缺点,他们又合成了在可见区具有较强吸收的茚双加成C70衍生物IC70BA,IC70BA的LUMO能级较PCBM上移0.19 eV,基于P3HT/IC70BA的光伏器件能量转换效率达到5.64%(Adv. Funct. Mater.,2010,20,3383-3389)。

  最近,他们对以P3HT为给体、ICBA为受体的光伏器件进行了进一步的优化,在给体/受体重量比1:1、150摄氏度热处理10分钟器件制备条件下,聚合物太阳能电池能量转换效率达到6.48%(其中开路电压0.84 V, 短路电流 10.61 mA/cm2, 填充因子 72.7%.),开路电压、填充因子和能量转换效率都是基于P3HT的聚合物太阳能电池文献报道最高值(Adv. Mater. , 2010, 22, 4355-4358.)。

  另外,他们还与台湾交通大学合作,制备了以P3HT/ICBA为活性层的反向结构(以ZnO纳米晶修饰的ITO电极为负极、PEDOT:PSS/Ag电极为正极)的聚合物太阳能电池,通过使用一种可交联的C60衍生物为负极修饰层,器件的能量转换效率也超过了6%,达到6.22%(其中开路电压0.84 V, 短路电流 12.4 mA/cm2, 填充因子60%),这是反向结构聚合物太阳能电池能量转换效率的最高值(J. Am. Chem. Soc.,DOI: 10.1021/ja108259n)。

  由于P3HT具有易合成、低成本、以及反向结构器件高稳定性等突出优点,这一结果对于聚合物太阳能电池的实际应用具有重要意义。