Adv. Mater. 一种在周围环境中可以提升聚合物太阳能电池综合性能的新型受体

背景内容简介

现流行的光伏器件可分为有机和无机光伏器件。无机光伏器件主要是已经商业化的单晶硅、多晶硅太阳能电池，由于成本过高限制了进一步发展。有机光伏器件兼具成本低，重量轻，柔性可弯曲等特点受到广泛关注。与硅基太阳能电池工作原理略有不同，聚合物太阳能电池中的光活性层受阳光照射产生激子，借助给体和受体分离成电子空穴对，分别转移至负极和正极，形成电流。

异质结（BHJ）的聚合物太阳能电池(PSC)在过去二十年中，凭借价格低、重量轻、机械性能好等特点收到广泛关注。上述激子产生后很容易发生复合，扩散长度为10 nm左右，因而要求活性层中的给体受体相分离尺寸不能超过20 nm. 通过简单的溶液处理工艺，获得一个尺寸在10-20 nm的，用来链接供、受体的过渡相，是提高能量转换效率（PCE）至关重要的一步。过去石墨烯衍生物被广泛用来作为PSCs的受体材料，因为它有着优越的电子传输性能，而且可以形成较好的异质结形态。聚合物/富勒烯异质结太阳能电池供体的聚合物寄主通过合理的设计，其PCE可以超越10% 。除了上述优点外，富勒烯材料还有成本高、库伦效率低、结构和化学稳定性差的缺点。

为了克服这些问题，北京大学的赵达慧、香港科技大学的颜河及北卡罗来纳州立大学的Harald Ade等人（共同通讯）对无富勒烯结构的小型化学分子受体做了大量研究，相比于传统的富勒烯衍生物受体构成的太阳能电池，在能量效率上取得了较大进展。另外，小型化学分子受体聚合物太阳能电池，相比于聚合物太阳能电池，在形貌、结构稳定性，供、受体兼容性等方面均有提高，这些性能的提高有望改变PSC的PCE历史峰值。

图文导读

图1 给体与受体的结构及表征图谱 a) PDI-V受体和PTB7-Th给体结构式 b) 标准化的给体和受体的光谱吸收图 c) 光敏活性物质薄膜的光激发图谱 d) PDI-V的合成 e)本次工作用到的器件结构的图解和PDI-V和PTB7-Th的能级

图2  DFT法计算后获得的最佳几何构型。表格中显示了相邻二面角的PDIs

图3 a,b) 分别为AM 1.5G, 100 mW cm⁻² 条件下的J-V曲线和外部量子效率曲线c) 给体受体混合（灰色三角形）和给体（黑色正方形）受体（黑色三角形）的光激发图谱对比。插图展示了完整的光激发图谱，主图是低强度区域的放大。实验所用波长为

图4 a,c)   GIWAXS图像：（a）为纯净的受体层（c）为没有添加剂和后处理的给、受体混合图

b,d)  (b)图中红色为为受体面内的一维剖面图黑色为面外剖面图。（d）图为给、受体混合旋涂在Si/SiO₂基底上

展望

传统受体材料多采用富勒烯衍生物，这片文献中报道了无富勒烯衍生物的受体PDI-V，具有很高的电子迁移率，组成反向结构太阳能电池，在没有添加剂和后续处理的条件下能量转换效率达到7.75% ，而且未经封装在空气中能量转换效率也能达到7.49%。PDI-V受体材料有很高的结晶度和电子流动性，因而具有较高的填充因子。该项研究成果提供了一种新的高性能，在周围环境中较稳定，商业化前景良好的受体材料。

赵达慧教授简介

北京大学化学系副教授，研究方向主要为具有光电功能的有机/聚合物材料的合成与表征。曾获国家自然科学基金委优秀青年科学基金 (2012)，教育部"新世纪优秀人才支持计划" (2012)，Distinguished Lectureship Award (2011) By the Chemical Society of Japan，霍英东教育基金会高等院校青年教师基金优选资助课题（2008，北京市科技新星 （北京市科学技术委员会，2007），Vanderveer Voorhees Original Research Proposal Award(Dept. of Chemistry, UIUC, 2003），R. C. Fuson Memorial Travel Award ，(Dept. of Chemistry, UIUC, 2003）等奖项。

颜河教授简介

颜河，香港科技大学副教授，本科毕业于北京大学化学系，后在美国西北大学获得博士学位，从师于美国Medal of Science获得者TobinMarks教授。博士毕业后，从2006至2012年间，颜河教授带领Polyera公司的研究组研发有机半导体材料以及太阳能电池材料。在2009年，颜河教授课题组在顶级期刊《Nature》杂志上发表了一个高迁移率的n型有机半导体高分子材料。此材料被誉为开启了“新晶体管时代”并登上了《Nature》的封面。回到香港科大后，颜河从事有机太阳能领域的研究。在过去的三年中多次打破有机太阳能电池的世界纪录。颜河教授的研究成果在2015年被美国国家可再生能源实验室收录进著名的“bestresearch-cell efficiency chart”世界纪录表。香港科技大学也成为40年来中国第一个有幸录入“bestresearch-cell efficiency chart”的高校。这是中国太阳能电池领域近年来最重大的世界级科研突破。颜河教授的科研成果被国内国际媒体广泛报道。颜河作为特邀嘉宾参加2015年度中国光伏大会，做有机太阳能方向的大会报告，并接受新华网的特别采访。颜河教授在最近几年一共多次在顶级期刊(Nature,Nature Energy, Nature Communications)发表论文。颜河教授在2009年的Nature论文被引用1500次。2014年的Nature Communications论文在短短1年半被引用700次，为同时期世界范围内被引用最高的论文之一。

原文链接：A Vinylene-Bridged Perylenediimide-Based Polymeric Acceptor Enabling Efficient All-Polymer Solar Cells Processed under Ambient Conditions（Adv. Mater.  2016, DOI: 10.1002/adma.201602387）

该文献导读由材料人新能源学术小组 yuezhou 供稿，材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部