高效宽带隙聚噻吩衍生物光伏材料的合成及其在叠层聚合物太阳能电池中的应用

Polymer solar cells (PSCs) have attracted much attention in the world as a novel and renewable energy resource technology due to their advantages of low cost, easy fabrication, light weight, and the capability to fabricate flexible large-area devices. So far, the power conversion efficiency (PCE) of PSCs based on bulk heterojunction structure has surpassed 10 %. However, lacking a broad absorption range limits the further improvement of PCE. Under this condition, tandem PSCs have been a research focus by stacking two bulk heterojunctions with complementary absorption spectra. The two active layers of the tandem PSCs need high performance broad-bandgap and narrow-bandgap conjugated polymer donors respectively. However, there have been few reports about the conjugated polymers with broad band-gap for tandem PSCs, which limits their rapid development to some extent. This project mainly focuses on the research of the conjugated polymers with broad band-gap for tandem PSCs. A series of conjugated polymers based on thiophene unit have been designed. The absorption spectra, electron energy levels and hole mobility of the polymers will be effectively adjusted by changing the length of alkyl chains or attaching the different conjugated side chains to the polymer main chain in order to attain the better application for the tandem PSCs and achieve the PCE of 12%. Furthermore, the relationship of conjugated polymer structure and properties will be investigated.

作为一种新型可再生能源技术，聚合物太阳能电池在制备大面积、轻质、柔性器件方面具有独特优势，因此受到世界范围的广泛关注。目前，本体异质结聚合物太阳能电池的能量转化效率已经超过10%；但由于其对太阳光谱吸收范围不够宽，限制了效率的上升空间。叠层聚合物太阳能电池由于可以串联两个本体异质结太阳能电池以实现宽的吸收与高的开路电压，成为研究热点。叠层聚合物太阳能电池的两个活性层分别需要高效的宽带隙和窄带隙聚合物给体材料，但是，现在报道的应用于叠层器件的宽带隙材料很少，在一定程度限制了其快速发展。本项目着眼于对叠层聚合物太阳能电池中宽带隙聚合物光伏材料进行研究，设计了一系列基于噻吩单元的共轭聚合物。通过调整侧链烷基长度、引入不同共轭侧链对聚合物的吸收光谱、电子能级和空穴迁移率进行有效调节，以期能够很好的应用于叠层聚合物太阳能电池，获得12%的能量转化效率；同时，探索共轭聚合物结构与性能之间的构效关系。

尽管单节本体异质结聚合物太阳能电池已经获得了比较高的能量转化效率，但是由于聚合物给体材料对太阳光的选择性吸收，限制了其效率的进一步提高。采用叠层器件结构串联两个具有不同吸收范围的单节聚合物太阳能电池可以实现光谱的宽吸收与高开路电压，可以有效提高器件的能量转化效率。但是，由于宽带隙聚合物光伏材料的研究滞后，在一定程度限制了叠层器件的发展。本项目针对这些现状和问题，开展了新型宽带隙聚噻吩衍生物光伏材料的研究工作。通过分子修饰的方法，调整聚合物的主链组成、改变侧链取代基来改善聚合物的吸收光谱、分子能级、空穴迁移率，设计合成了一系列高效宽带隙聚合物光伏材料。将氟原子引入分子主链，合成了聚噻吩衍生物PBDD-ff4T。基于PBDD-ff4T:PCBM的无后处理器件获得了高达9.2%的PCE，其中Voc为0.95 V，Jsc为13.2 mA cm-2，FF为73%。合成了以烷基噻吩取代的苯并二噻吩为给体单元，并噻唑为受体单元的共聚物PTZ1，基于PTZ1:PCBM共混体系的光伏器件在溶剂添加剂和热退火的协同效应下能量转换效率可以达到7.7%。以共混膜PTZ1:PCBM为前电池活性层，共混膜PBDTTT-C-T:PCBM 为后电池活性层制备了反向叠层器件，能量转换效率达到10.3%。在叠层器件中引入了新型的宽带隙光伏材料PBD1，用于作为前子电池中的聚合物给体材料，经过器件优化之后，叠层器件的能量转化效率高达14.2%，开路电压为1.61 V, 短路电流为12.3 mA cm-2，填充因子为72%。优化之后的叠层器件制备超过30个不同的器件所获得的能量转化效率平均值达到13.8%，并且，在制备1.12 cm2的大面积器件时，能量转化效率也可达到13%。本项目设计合成的宽带隙材料将为叠层器件制备提供更多选择，同时，本项目中对宽带隙材料分子结构与性能关系的探索将对这类材料的设计合成起到很好的指导意义，将有效的促进叠层聚合物太阳能电池效率的进一步提高，推动聚合物太阳能电池的商业化进程。