針對單組分有機(jī)太陽能電池中共軛材料種類少、凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)調(diào)控困難、能量轉(zhuǎn)換效率低等問題，一個中外聯(lián)合研究組最近取得新的突破。他們合成了一種新型雙纜共軛聚合物，作為吸光層應(yīng)用于單組分有機(jī)太陽能電池中，獲得了6.3%的能量轉(zhuǎn)換效率，這是目前單組分有機(jī)太陽能電池的最高效率。相關(guān)論文近日刊登于《焦耳》。

“該聚合物包含給體主鏈與受體側(cè)鏈，在成膜過程中，給體與受體互相制約，難以形成有序納米結(jié)構(gòu)。我們發(fā)現(xiàn)，溫度賦予這類聚合物二次結(jié)晶的機(jī)會。隨著溫度升高，聚合物薄膜中給體主鏈及受體側(cè)鏈的堆積逐漸有序，從而大幅度提升電荷傳輸效率，并降低電荷復(fù)合幾率。”課題組負(fù)責(zé)人、中國科學(xué)院化學(xué)研究所/北京化工大學(xué)教授李韋偉告訴《中國科學(xué)報》。

據(jù)悉，單組分有機(jī)太陽能電池與傳統(tǒng)多組分本體異質(zhì)結(jié)電池相比，其活性層只含一種組分，從而極大提高器件穩(wěn)定性與簡化器件制備工藝。而且，基于雙纜共軛聚合物的單組分有機(jī)太陽能電池，由于給、受體通過化學(xué)鍵“綁定”，活動受限，其形貌穩(wěn)定性已被證實(shí)優(yōu)于對應(yīng)的本體異質(zhì)結(jié)電池。同時，在雙纜型共軛聚合物中，給、受體界面以分子尺度均勻分布，利于激子在有限的壽命內(nèi)擴(kuò)散到界面。因此，基于雙纜型共軛聚合物的單組分太陽能電池具備大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用潛力。

這類電池雖然已有幾十年研究歷史，但目前其效率仍遠(yuǎn)低于本體異質(zhì)結(jié)類電池。主要原因是單組分共軛材料合成復(fù)雜，同時分子內(nèi)給/受體的相分離調(diào)控難度大。基于此，李韋偉課題組重拾歷史難題——單組分有機(jī)太陽能電池研究。

此前，針對雙纜共軛聚合物合成復(fù)雜問題，該課題組提出了一種“先側(cè)鏈功能化，后聚合”的設(shè)計(jì)思路，成功制備了一系列結(jié)構(gòu)明確的雙纜共軛聚合物，深入探究了共軛主鏈、受體側(cè)鏈與連接單元的分子結(jié)構(gòu)對聚合物凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制，使單組分有機(jī)太陽能電池效率從0.51%提升至4.34%。

此次，李韋偉研究組聯(lián)合德國紐倫堡大學(xué)、香港科技大學(xué)等機(jī)構(gòu)研究人員，將苯并二噻吩二酮引入共軛主鏈合成了第四系列雙纜共軛聚合物，并發(fā)現(xiàn)該聚合物在薄膜中的相分離形貌對溫度敏感，隨著退火溫度升高，聚合物的給體主鏈及受體側(cè)鏈的堆積逐漸變得有序，而相關(guān)太陽能電池獲得了6.3%的光電轉(zhuǎn)換效率。

研究人員還系統(tǒng)研究了該電池在工作中的諸多機(jī)制問題，同時發(fā)現(xiàn)其在連續(xù)1個太陽光強(qiáng)度照射300個小時后仍能保持93%的初始效率。

研究人員表示，這一系列研究證明隨著新材料的開發(fā)和光電轉(zhuǎn)換機(jī)理研究的不斷推進(jìn)，單組分有機(jī)太陽能電池“老壺裝新酒”，擁有巨大的研究價值與應(yīng)用潛力。