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  聚合物太陽(yáng)能電池(polymer solar cell，簡(jiǎn)稱PSC)是重要的光電轉(zhuǎn)換器件. 近年來(lái)，基于非富勒烯型電子受體的聚合物太陽(yáng)能電池(NF-PSC)發(fā)展迅速. 迄今為止，單結(jié)NF-PSC的光伏效率已經(jīng)達(dá)到13%以上,超過(guò)了傳統(tǒng)的富勒烯型聚合物太陽(yáng)能電池. 相比于單結(jié)NF-PSC，疊層NF-PSC有助于克服外量子效率受限和熱損耗偏高的問(wèn)題. 然而，疊層NF-PSC的構(gòu)筑，對(duì)于材料的設(shè)計(jì)要求更高，器件制備的難度也更大，因而發(fā)展相對(duì)緩慢. 最近，侯劍輝等對(duì)疊層NF-PSC中的前、后子電池之間的光譜匹配性進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)制，選用窄帶隙的PTB7-Th:IEICO-4F作為后電池，寬帶隙的J52-2F:IT-M作為前電池，來(lái)構(gòu)建疊層NF-PSC，將光伏效率進(jìn)一步提升到了14.9%，目前為該領(lǐng)域的最高值。

  本文將簡(jiǎn)要介紹NF-PSC的發(fā)展概況，評(píng)述這一突出的研究成果，總結(jié)中國(guó)學(xué)術(shù)界在NF-PSC領(lǐng)域做出的卓越貢獻(xiàn)，并展望該領(lǐng)域的廣闊前景。

  聚合物太陽(yáng)能電池(polymer solar cell，簡(jiǎn)稱PSC)具有可通過(guò)溶液涂布方式制備大面積柔性器件的突出優(yōu)點(diǎn)，提升其將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的效率(簡(jiǎn)稱：光伏效率)是當(dāng)前重要研究目標(biāo)之一.自Heeger等從1995年發(fā)明PSC以來(lái)[1]，雖然多種有機(jī)半導(dǎo)體均可表現(xiàn)出光伏特性，但是由聚合物電子給體和富勒烯電子受體組成的光伏材料體系備受關(guān)注. 富勒烯材料具有球狀共軛結(jié)構(gòu),由其參與的電荷轉(zhuǎn)移和傳輸過(guò)程對(duì)分子取向依賴性低，在材料體系和形貌調(diào)控方法較少的前期，更容易獲得較高的光伏效率. 然而，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，由聚合物給體和富勒烯受體構(gòu)建的PSC的光伏效率已逐漸達(dá)到瓶頸. 如圖1所示，在2011年含富勒烯受體的單結(jié)和疊層PSC的光伏效率達(dá)到11%，之后一直停滯不前. 因此亟待驗(yàn)證非富勒烯型聚合物太陽(yáng)能電池(NF-PSC)在實(shí)現(xiàn)更高光伏效率方面的可行性。

  相比于富勒烯電池，NF-PSC易于實(shí)現(xiàn)寬而強(qiáng)的吸收光譜，且同等光學(xué)帶隙(Eg)下易于實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)路電壓，但對(duì)給/受體之間匹配性的要求更高. 隨著有機(jī)光伏材料的日趨豐富和器件制備技術(shù)的逐漸提高，高效率NF-PSC的實(shí)現(xiàn)逐漸成為可能. 2015年，占肖衛(wèi)等報(bào)道了基于A-D-A結(jié)構(gòu)的非富勒烯受體(ITIC)以及光伏效率達(dá)6.8%的NF-PSC，表明ITIC是一種極具潛力的新型受體[2].2016年，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所侯劍輝課題組采用新型聚合物給體(PBDB-T)與ITIC共混，實(shí)現(xiàn)了給/受體之間吸收光譜和分子能級(jí)的良好匹配以及較為理想的相分離結(jié)構(gòu)，成功地制備了具有11%光伏效率的NF-PSC[3]. 此后，該課題組針對(duì)PBDB-T 和 ITIC 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，逐步將單結(jié)NF-PSC的光伏效率推進(jìn)至13%以上[4]. 如圖1所示，侯劍輝課題組陸續(xù)報(bào)道了3個(gè)由中國(guó)計(jì)量院驗(yàn)證的同期世界最高效率. 與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)多個(gè)課題組也在其他非富勒烯有機(jī)太陽(yáng)能電池的研究中取得快速進(jìn)展，基于全小分子[5]和全高分子活性層[6]的單結(jié)電池的突出結(jié)果均由我國(guó)學(xué)者報(bào)道，表明中國(guó)在此研究方面已經(jīng)走在了世界最前列。

Fig. 1 Recent progress in power conversion efficiency of fullerene-based and non-fullerene-based polymer solar cells The data are obtained from the chart of “Best Research-Cell Efficiencies” published by National Renewable Energy Laboratory and the certified photovoltaic results in literatures.

  盡管NF-PSC在拓寬光響應(yīng)譜帶和提升輸出電壓方面具有突出優(yōu)勢(shì)，但是仍然面臨外量子效率受限和熱損耗偏高的問(wèn)題. 構(gòu)筑具有疊層結(jié)構(gòu)的NF-PSC是克服上述問(wèn)題，從而進(jìn)一步提升光伏效率的有效途徑. 然而，由于疊層電池中涉及的材料種類多，器件制備難度大，其發(fā)展仍滯后于單結(jié)結(jié)構(gòu)的NF-PSC. 近期，侯劍輝等人對(duì)疊層NF-PSC中的前、后子電池之間的光譜匹配性進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)制. 他們通過(guò)一系列對(duì)比實(shí)驗(yàn)，選用窄帶隙的PTB7-Th:IEICO-4F作為后電池(Eg =1.24 eV)和寬帶隙的J52-2F:IT-M作為前電池(Eg =1.59 eV)構(gòu)建疊層電池，實(shí)現(xiàn)了對(duì)300 ~ 1000 nm區(qū)間的太陽(yáng)光的高效吸收，獲得了超過(guò)13 mA/cm2的短路電流密度. 同時(shí)，由于前、后子電池均具有較低的能量損耗，整個(gè)器件的開(kāi)路電壓達(dá)到了1.65 V. 相比于該團(tuán)隊(duì)前期取得的結(jié)果[7]，該疊層NF-PSC的光響應(yīng)譜向長(zhǎng)波方向拓寬了100 nm,短路電流密度提升了近2 mA/cm2，因此，其光伏效率也從13.1%提升至14.9%. 美中不足的是，該電池封裝之后效率略有衰減，由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院驗(yàn)證的光伏效率降低至14.0%，但仍然是領(lǐng)域內(nèi)取得的最高效率. 該高效率疊層NF-PSC的研究結(jié)果發(fā)表在《高分子學(xué)報(bào)》期刊上[8].

  鑒于非富勒烯型聚合物太陽(yáng)能電池研究的重要性，為了繼續(xù)保持我國(guó)在光伏活性材料和器件制備研究方面的引領(lǐng)地位，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)化學(xué)部已經(jīng)于2017年開(kāi)始，以重點(diǎn)項(xiàng)目群的方式支持多個(gè)研究集體開(kāi)展協(xié)同創(chuàng)新研究. 在未來(lái)的研究中，進(jìn)一步大幅提升NF-PSC的光伏效率仍然勢(shì)在必行，這類電池能否達(dá)到與無(wú)機(jī)或有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化光伏技術(shù)相比擬的光伏效率尚未可知。

  另外，隨著光伏效率的迅速提升，也需要重視和解決NF-PSC在實(shí)際應(yīng)用中面臨的問(wèn)題,如：電池穩(wěn)定性與衰減機(jī)制、大面積制備技術(shù)、高效率材料低成本制備等. 期待我國(guó)學(xué)者在此領(lǐng)域繼續(xù)做出獨(dú)特和獨(dú)有的貢獻(xiàn)，為改善能源結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)中國(guó)策略。

參考文獻(xiàn)：

1  Yu G, Gao J, Hummelen J C, Wudl F, Heeger A J. Science, 1995, 270: 1789 – 1791 

2  Lin Y, Wang J, Zhang Z G, Bai H, Li Y, Zhu D, Zhan X. Adv Mater 2015, 27: 1170 – 1174 

3  Zhao W, Qian D, Zhang S, Li S, Inganas O, Gao F, Hou J. Adv Mater, 2016, 28: 4734 – 4739 

4  Zhao W, Li S, Yao H, Zhang S, Zhang Y, Yang B, Hou J. J Am Chem Soc, 2017, 139: 7148 – 7151 

5  Bin H, Yang Y, Zhang Z G, Ye L, Ghasemi M, Chen S, Zhang Y, Zhang C, Sun C, Xue L, Yang C, Ade H, Li Y. J AmChem Soc, 2017, 139: 5085 – 5094 

6  Zhang Z G, Yang Y, Yao J, Xue L, Chen S, Li X, Morrison W, Yang C, Li Y. Angew Chem Int Ed, 2017, 56:13503 – 13507 

7  Cui Y, Yao H, Gao B, Qin Y, Zhang S, Yang B, He C, Xu B, Hou J. J Am Chem Soc, 2017, 139: 7302 – 7309 

8  Cui Yong(崔勇), Yao Huifeng(姚惠峰), Yang Chenyi(楊晨熠), Zhang Shaoqing(張少青), Hou Jianhui(侯劍輝). ActaPolymerica Sinica(高分子學(xué)報(bào)), 2018, (2): 223 – 230

文章鏈接：http://www.gfzxb.org/article/doi/10.11777/j.issn1000-3304.2018.18019