单组份有机太阳能电池纳米相分离调控新策略

吴 凯

北京大学化学与分子工程学院，北京 100871

(a) 给受体材料、单组份聚合物结构以及共轭骨架理论计算；(b)，(c) 聚合物薄膜的AFM和TEM表征，1、2、3分别对应PBDTPBI、S-PBDTPBI和SF-PBDTPBI；(d) 聚合物薄膜的排列模型及GISAXS表征；(e) 聚合物的GIWAXS表征，e1、e2、e3、e4分别对应PBDTPBI，S-PBDTPBI、SF-PBDTPBI和PBDTT；(f) 单组分太阳电池器件性能表征，f1、f2为AM1.5G光谱下的电流-电压曲线和外量子效率，f3、f4为活性层吸光系数和内量子效率。

有机太阳能电池因其质轻、柔性、结构可调、可溶液加工等特点具有潜在的应用前景，近年来成为研究热点。其中，双组份或多组分的本体异质结型太阳能电池的研究最为深入，其能量转换效率已超过13%1,2；然而这类器件存在优化步骤多、稳定性差等缺点，不利于大面积制备。单组份太阳能电池中电子给体与受体通过共价键连接组成单一组份的活性层，使器件相对稳定。单组份聚合物的设计主要有“rod-rod”或“rod-coil”型的嵌段共聚物，以及给、受体各自分布在主链与侧链的“double-cable”型共轭聚合物3–7。但由于该类聚合物结构复杂且形貌难以调控，存在激子分离与电荷传输效率低的问题，导致其光电能量转换效率相对较低，大都未超过3%。2017年8月，中国科学院化学研究所李韦伟研究员课题组报道了一组主链为吡咯并吡咯二酮(DPP)类给体骨架、侧链为苝酰亚胺(PBI)受体的“double-cable”型共轭聚合物8，通过延长连接给受体的烷基链长度，改善聚合物的结晶性，调节聚合物薄膜中的相分离，使单组份电池的能量转换效率达到2.74%。

最近，该课题组提出了直线型共轭骨架为主链的分子设计策略，实现“double-cable”型共轭聚合物中小尺度的纳米相分离，从而提升单组份太阳能电池的能量转换效率。该课题组以苯并二噻吩(BDT)的均聚物PBDTT为给体共轭主链，PBI为侧链受体单元，合成了一组共轭主链为直线型的“double-cable”型共轭聚合物9，并将硫原子和氟原子引入到BDT的侧链噻吩上以调节聚合物的能级和结晶性。通过对薄膜形貌表征发现，该聚合物的给体共轭主链 PBDTT以及受体单元 PBI在薄膜中具有“face-on”的堆积取向和小尺寸的纳米相分离结构(大约 5 nm)，这有利于单组份电池中的激子分离和电荷传输。基于这类聚合物的单组份太阳电池能量转换效率达到了4.18%，外量子效率和内量子效率分别达到了0.65和0.80，是当前单组份有机太阳电池的最高性能之一。

该研究工作近期已在Journal of the American Chemical Society上在线发表9。该工作表明，通过采用直线型共轭主链的设计策略，单组份聚合物可以获得优异的纳米相分离结构，进而实现高性能的单组份有机太阳能电池。该工作将对单组份太阳能电池的研究具有重大的推动作用。