全聚合物太陽能電池（APSC）具有優(yōu)異的光/熱穩(wěn)定性及柔韌拉伸性能，被認為是柔性電源系統(tǒng)中最有潛力的應(yīng)用之一。得益于非富勒烯受體材料的快速發(fā)展，高性能聚小分子受體被不斷開發(fā)。相比而言，高性能聚合物給體的發(fā)展相對滯后。如何設(shè)計合成新型聚合物給體材料，并調(diào)控給/受體分子間堆積和取向，闡明給/受體分子間相互作用與光伏性能之間的關(guān)系，將有力助推高效全聚有機太陽能電池的發(fā)展。
近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員包西昌帶領(lǐng)的先進有機功能材料與器件研究組在該領(lǐng)域取得重要進展。研究通過降低給體材料主骨架之間的電荷轉(zhuǎn)移態(tài)和醌類共振效應(yīng)，設(shè)計合成全新的超寬帶隙（Eopt = 2.24 eV）聚合物給體材料（圖1）。該材料具有較高消光系數(shù)且吸收光譜完美覆蓋最強太陽輻射范圍，并與受體材料具有良好的混溶性和較強的分子間相互作用。該工作獲得了效率為15.3%和17.1%的兩組分和三組分APSC（與當下經(jīng)典給體材料相媲美）。該研究為全聚有機太陽能電池給體材料的發(fā)展提供了新穎的設(shè)計理念和材料結(jié)構(gòu)。相關(guān)成果發(fā)表在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上。
此外，共軛聚合物之間的強鏈間纏結(jié)易形成較差的相分離、低混合熵，難以調(diào)控活性層的結(jié)晶和形貌，進而限制光伏性能的提升。對此，科研人員開發(fā)的具有良好混溶性的聚合物給體，可以有效滲透到給/受體（D/A）聚集域中，優(yōu)化了全聚合物活性層內(nèi)的分子堆積和相分離，實現(xiàn)了激子和載流子的高效利用（圖2）。具有體異質(zhì)結(jié)（BHJ）結(jié)構(gòu)的三元APSC實現(xiàn)了17.64%的效率和高的厚膜耐受性。第三組分滲透可有效地促進更多混合相的形成，并獨立地優(yōu)化D/A有序堆積，在構(gòu)建理想偽平面異質(zhì)結(jié)（PPHJ）活性層方面顯示出獨特的優(yōu)勢。具有PPHJ結(jié)構(gòu)的三元APSC獲得了17.94%的效率并表現(xiàn)出優(yōu)異的器件穩(wěn)定性。利用良好混溶性第三組分獨立誘導D/A有序堆積，在構(gòu)建高性能APSC方面頗具潛力。相關(guān)成果發(fā)表在《能源與環(huán)境科學》（Energy & Environmental Science）上。
研究工作得到國家自然科學基金、科技部國際合作項目和山東能源研究院專項資金等的支持。
圖1.新分子策略構(gòu)筑高效聚合物給體材料
圖2.三元策略優(yōu)化吸光層分子聚集
