P3HT和ICBA的分子結(jié)構(gòu)以及基于P3HT/ICBA聚合物太陽(yáng)能電池的器件結(jié)構(gòu)和光伏性能

聚合物太陽(yáng)能電池一般由共軛聚合物給體和富勒烯衍生物受體的共混膜夾在ITO透明正極和金屬負(fù)極之間所組成，具有結(jié)構(gòu)和制備過(guò)程簡(jiǎn)單、成本低、重量輕、可制備成柔性器件等突出優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。結(jié)構(gòu)規(guī)整的聚(3-己基)噻吩(P3HT)和可溶性C60衍生物PCBM是最具代表性的給體和受體光伏材料。基于P3HT/PCBM的光伏器件能量轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定達(dá)到3.5～4.0%左右，使這一體系成為聚合物太陽(yáng)能電池研究的標(biāo)準(zhǔn)體系。但P3HT/PCBM體系也存在電子能級(jí)匹配性不好（P3HT的HOMO能級(jí)太高或者說(shuō)PCBM的LUMO能級(jí)太低）的問(wèn)題，這導(dǎo)致了器件的開(kāi)路電壓較低，只有0.6 V左右，這限制了其能量轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提高。

在國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目、中美雙邊國(guó)際合作項(xiàng)目和化學(xué)所分子科學(xué)中心創(chuàng)新項(xiàng)目的支持下，中科院化學(xué)研究所有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研人員從2009年開(kāi)始開(kāi)展新型富勒烯衍生物受體光伏材料的研究。他們首先研究了PCBM取代基上中間碳鏈長(zhǎng)度對(duì)光伏性能的影響，發(fā)現(xiàn)中間碳鏈短一個(gè)碳或長(zhǎng)兩個(gè)碳的C60衍生物的光伏性能比PCBM稍優(yōu)（Adv. Funct. Mater. 2010，20，1480-1487）。接著他們合成了一種茚雙加成C60衍生物ICBA（分子結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖），其LUMO能級(jí)較PCBM上移0.17 eV，在AM1.5, 100 mW/cm2光照條件下，基于P3HT/ICBA的光伏器件開(kāi)路電壓達(dá)到0.84 V，能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到5.44％，而同樣條件下，P3HT/PCBM體系的開(kāi)路電壓只有0.58 V，能量轉(zhuǎn)換效率3.88％（J. Am. Chem. Soc.，2010，132，1377-1382）。為了改進(jìn)C60衍生物可見(jiàn)區(qū)吸收較弱的缺點(diǎn)，他們又合成了在可見(jiàn)區(qū)具有較強(qiáng)吸收的茚雙加成C70衍生物IC70BA，IC70BA的LUMO能級(jí)較PCBM上移0.19 eV，基于P3HT/IC70BA的光伏器件能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到5.64％（Adv. Funct. Mater.，2010，20，3383-3389）。

最近，他們對(duì)以P3HT為給體、ICBA為受體的光伏器件進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化，在給體/受體重量比1:1、150攝氏度熱處理10分鐘器件制備條件下，聚合物太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到6.48%（其中開(kāi)路電壓0.84 V, 短路電流 10.61 mA/cm2, 填充因子 72.7%.），開(kāi)路電壓、填充因子和能量轉(zhuǎn)換效率都是基于P3HT的聚合物太陽(yáng)能電池文獻(xiàn)報(bào)道最高值（Adv. Mater. , 2010, 22, 4355-4358.）。

另外，他們還與臺(tái)灣交通大學(xué)合作，制備了以P3HT/ICBA為活性層的反向結(jié)構(gòu)（以ZnO納米晶修飾的ITO電極為負(fù)極、PEDOT:PSS/Ag電極為正極）的聚合物太陽(yáng)能電池，通過(guò)使用一種可交聯(lián)的C60衍生物為負(fù)極修飾層，器件的能量轉(zhuǎn)換效率也超過(guò)了6%，達(dá)到6.22%（其中開(kāi)路電壓0.84 V, 短路電流 12.4 mA/cm2, 填充因子60%），這是反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)換效率的最高值（J. Am. Chem. Soc.，DOI: 10.1021/ja108259n）。

由于P3HT具有易合成、低成本、以及反向結(jié)構(gòu)器件高穩(wěn)定性等突出優(yōu)點(diǎn)，這一結(jié)果對(duì)于聚合物太陽(yáng)能電池的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。