基于乙醇/水的环境友好型聚合物太阳能电池

韩国科学技术院的Bumjoon J. Kim和高丽大学的Han Young Woo等通过引入不同长度和数量的低聚乙二醇侧链来设计不同的富勒烯单加合物，以同时优化富勒烯衍生物在乙醇/水溶剂混合物中的可加工性和电池器件性能。

Wed Sep 05 00:00:00 CST 2018 X一MOL资讯

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聚合物太阳能电池可溶液加工、带隙可调以及具有柔性，是吸引了诸多关注的下一代太阳能电池的代表之一。但是，制作这类电池却要用到有毒性的有机溶剂，例如氯仿及氯苯。尽管科学家们报道了一些使用“绿色溶剂”制备的材料，但是产品性能和制备过程等都多受局限。近些年发现且优化了一些新的制备条件且使用了更温和的有机溶剂，例如非卤代的芳香有机溶剂，但它们还是可能带来环境与健康危害。更重要的是，它们的使用与半导体工业兼容性还有待提高。因此，开发使用环境友好的溶剂平台来制备可持续、大面积的电池器件非常重要。

水与乙醇被认为是目前最受欢迎的环保溶剂，而用于聚合物太阳能电池的高效水/醇溶性富勒烯受体应该具备以下特点：（1）一元加成类型；（2）非离子侧链；（3）通过优化直链及侧链结构实现在水醇溶性溶剂系统的高溶解性以及较好的结晶性，以保证电子传输。近日，韩国科学技术院（KAIST）的Bumjoon J. Kim和高丽大学的Han Young Woo等研究者报道了一系列新的富勒烯衍生物，通过引入不同长度和数量的低聚乙二醇（OPEG）侧链来设计不同的富勒烯单加合物，以同时优化富勒烯衍生物在乙醇/水溶剂混合物中的可加工性和电池器件性能。这些富勒烯衍生物在乙醇/水溶剂混合物中具有良好的溶解性，作为受体制造聚合物太阳能电池实现了高达1.4%的能量转换效率。值得注意的是，这些新的水/醇溶性富勒烯衍生物的电子迁移率高达1.30×10^-4 cm² V^-1 s^-1，是先前报道的醇溶性富勒烯双加合物的150倍。

图1. （a）倒装器件的结构以及聚合物给体受体的结构, （b）薄膜的吸收光谱, （c）几个材料在乙醇/水中测得的能级。图片来源：Chem. Mater.

作者制备了三种类型的PCBM富勒烯衍生物PCBO12、PCBO15、PCBO27，具有不同长度和数量的低聚乙二醇（OPEG）侧链，并采用聚合物PPDT2FBT-A作为聚合物给体材料（图1a）。几种材料在薄膜中的吸收如图1b所示，给受体之间具有明显的吸收互补。而给受体之间的能级都符合其基本规律，可以保证电荷的抽取与传输（图1c）。

图2. （a）电流-电压曲线,（b）EQE曲线,（c-d）随着光强变化的短路电流与开路电压数值。图片来源：Chem. Mater.

如图2及表1所示，PPDT2FBT-A : PCBO12展现了最高的效率，其短路电流密度（J_sc）最大，这个体系也具有最高的光电响应。而开路电压（V_oc）的变化也与受体的LUMO数值的深浅呈现出了直接的线性关系。同时，PCBO12也具有最高的电子迁移率，以及最平衡的空穴/电子迁移率比值，这也是其电流较高的原因。通过图2c与图2d可以看出，PPDT2FBT-A : PCBO12体系展现出了最少的复合，这是其能量转换效率（PCE）较高的重要原因之一。

表1. 光伏性能参数与迁移率数值表。图片来源：Chem. Mater.

不同材料的结晶信息如图3可得，PPDT2FBT-A : PCBO12体系中，可以明显看出PCBO12的结晶与聚集，这有利于电子的传输，这是其器件效率较高的原因。如图4所示，PCBO27体系的相分离范围非常宽，从10-300 nm不等，而且其强度较低。对于另外两种材料，其相分离尺度合适，在30 nm左右，强度也较高，估计是由于受体的结晶聚集形成的相分离，这有利于电子的传输。这些发现可以解释其器件短路电流密度和填充因子（FF）较高的原因。