聚合物太陽電池由p-型共軛聚合物給體和富勒烯衍生物或非富勒烯n-型有機(jī)半導(dǎo)體受體的共混活性層夾在透明導(dǎo)電電極和金屬電極之間所組成，具有可溶液加工、質(zhì)量輕以及可制備成柔性和半透明器件等突出優(yōu)點(diǎn)，近年來成為能源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。聚合物太陽電池的商業(yè)應(yīng)用需要實(shí)現(xiàn)器件的率、高穩(wěn)定性以及低成本，這主要依賴于光伏材料的發(fā)展。
自1995年alan j. heeger等提出本體異質(zhì)結(jié)概念以來，聚合物太陽電池光伏材料和器件的研究獲得了持續(xù)發(fā)展。在研究的早期階段，器件的效率很低，研究的關(guān)注點(diǎn)主要是提率，通過設(shè)計(jì)和合成窄帶系、寬吸收和具有較低homo能級(jí)的聚合物給體光伏材料，以及具有較高lumo能級(jí)的富勒烯衍生物受體光伏材料，來提高器件的短路電流、開路電壓和能量轉(zhuǎn)換效率。近年來，隨著窄帶隙非富勒烯n-型有機(jī)半導(dǎo)體受體光伏材料以及與之吸收互補(bǔ)的寬帶隙聚合物給體光伏材料的發(fā)展，聚合物太陽電池的能量轉(zhuǎn)換效率獲得快速提升，近實(shí)驗(yàn)室小面積器件的效率已經(jīng)突破12~13%，達(dá)到了可以向?qū)嶋H應(yīng)用發(fā)展的門檻。因此，提高穩(wěn)定性和降低成本就成為了實(shí)現(xiàn)聚合物太陽電池實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。但是，當(dāng)前已報(bào)道的光伏材料大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、合成困難，很難滿足商業(yè)應(yīng)用的需求。開發(fā)低成本光伏材料將是聚合物太陽電池商業(yè)應(yīng)用的巨大挑戰(zhàn)。
在自然科學(xué)基金委員會(huì)和*有關(guān)項(xiàng)目的支持下，中科院院士、中科院化學(xué)研究所有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員李永舫課題組研究人員近設(shè)計(jì)并合成了一個(gè)低成本的聚合物給體材料ptq10(分子結(jié)構(gòu)見圖a)。ptq10是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的d-a共聚物，其中噻吩環(huán)作為給體單元、喹喔啉作為受體單元。在喹喔啉上引入烷氧基側(cè)鏈?zhǔn)菫榱颂岣呔酆衔锏娜芙庑圆⒃鰪?qiáng)光吸收、引入雙氟原子取代以降低聚合物的homo能級(jí)和提高空穴遷移率。該分子可以通過廉價(jià)的原材料兩步合成(圖c)并同時(shí)實(shí)現(xiàn)接近90%的總產(chǎn)率，使得該材料的成本大大降低。更重要的是，使用ptq10為給體、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的n-型有機(jī)半導(dǎo)體idic(圖a)為受體制備的聚合物太陽電池(器件結(jié)構(gòu)見圖b)的高能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到12.70%，同時(shí)反向結(jié)構(gòu)器件的效率也達(dá)到了12.13%(由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院確認(rèn)的效率為12%)。同時(shí)，活性層厚度在100nm至300nm范圍內(nèi)器件效率都能超過10%，這非常有利于器件的大面積制備。與當(dāng)前文獻(xiàn)報(bào)道的效率超過10%的其它聚合物給體光伏材料相比，ptq10無論是合成步驟、產(chǎn)率和效率上都具有非常突出的優(yōu)勢(shì)(圖d,e)。
考慮到低成本、率和厚度不敏感等優(yōu)點(diǎn)，ptq10極有希望成為聚合物太陽電池商業(yè)應(yīng)用中的聚合物給體材料。該工作2月21日在《自然-通訊》發(fā)表(nat. commun.2018,9, 743)。
(a)給體ptq10和受體idic的分子結(jié)構(gòu)；(b)電池器件結(jié)構(gòu)圖；(c)ptq10的合成路線；(d)和(e)聚合物太陽電池給體材料合成步驟、產(chǎn)率與效率的對(duì)比分析圖。
編輯點(diǎn)評(píng)
隨著窄帶隙非富勒烯n-型有機(jī)半導(dǎo)體受體光伏材料以及與之吸收互補(bǔ)的寬帶隙聚合物給體光伏材料的發(fā)展，聚合物太陽電池的能量轉(zhuǎn)換效率獲得快速提升。化學(xué)所在低成本聚合物給體光伏材料方面取得進(jìn)展，同時(shí)大大降低了成本，提高了效率，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
(原標(biāo)題：化學(xué)所在低成本聚合物給體光伏材料方面取得進(jìn)展)

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