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新型共轭聚合物在高效有机光伏器件中的应用
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在本体异质结聚合物太阳电池中，活性层形貌对电池性能影响很大。人们通过各种方法，如慢增长、溶剂添加剂、热退火、后退火等，来获得纳米尺寸相分离的双连续互穿网络结构的活性层来改善器件的性能。活性层一般是由高沸点溶剂（氯苯或二氯苯）溶解，再进行溶液旋涂，通过对溶剂蒸气压、蒸气压升高速率和处理时间的控制可以达到对共混薄膜的形貌的优化。2005 年，Yang Yang研究组Gang Li等基于 P3HT: PCBM 体系发明了慢增长和溶剂退火方法，其原理是在溶剂缓慢挥发过程中，活性层可以有足够的时间完成自组装，获得的给受体相结构更有利于载流子迁移。慢增长制备的P3HT: PCBM器件能量转换效率达4.4%，FF 达67%。聚合物在溶液中发生聚集是一种比较重要的现象，聚集程度受溶液浓度、溶剂种类以及温度影响比较大。已有研究证明聚合物在溶液中的聚集状态在旋涂成膜过程中会被最大限度的保留下来并存在于薄膜中，因此，聚合物在溶液中的聚集程度能够影响薄膜的形貌。目前，人们对聚集对器件性能的影响已有深入的研究。例如，UCLA Y. Yang组报道了通过控制聚合物链的聚集来调节MEH-PPV薄膜的光学和电学性能。L. Janssen组研究了通过优化活性层加工条件来控制聚合物聚集对聚合物太阳电池性能的影响。而以上研究中所采用的控制聚合物聚集的方法主要是优化溶液旋涂条件（聚合物溶液的浓度、溶剂的选择、旋转速度等）。 聚合物在溶液中的聚集受温度的影响也是很大的，而通过调节溶液温度来控制聚合物聚集程度，进而调控活性层形貌的研究至今还没有报道。2012年中科院化学所侯剑辉组控制溶液的加热温度对PBDTBDD/PC61BM的相形态进行调节（如下图所示）, 研究表明在较低温度下制备的共混膜中相区分布更均匀，相区尺寸更小，从而实现高于70%的填充因子，该工作发表在Macromolecules上。中科院化学所侯剑辉课题组进一步将该二维共轭聚合物PBDTBDD应用到高LUMO能级的双取代PCBM受体，即Bis-PCBM, 在使用二元溶剂（DCB/DIO）优化后效率达到6.07%，该结果是基于高LUMO能级受体Bis-PCBM和ICBA文献报道的最高值，开路电压高达1.00V，填充因子达到60%，性能相较于目前广泛采用的P3HT/ICBA体系毫不逊色。这表明该体系是一类极具潜力的蓝光吸光层，有望用于高效串联或并联器件中，该结果发表在J. Phys. Chem. C上。 2014年初，中科院化学所李永舫院士课题组、侯剑辉研究员课题组、华北电力大学谭占鳌教授课题组合作，采用新型修饰层ZrOx制备的基于PBDTBDD/PC71BM的聚合物太阳能电池，效率达9%，发表在Scientific Reports上。 最近化学所侯剑辉研究组和王朝晖研究组进一步将PBDTBDD用于非富勒烯受体中，获得了高达4.4%的能量转换效率，这是非富勒烯小分子受体体系的最好结果，发表在Small上。这些工作有力表明PBDTBDD是一类高效的聚合物光伏材料，有望在多种器件结构得到推广。 References 【1】Qian, D.; Ye, L.; Zhang, M.; Liang, Y.; Li, L.; Huang, Y.; Guo, X.; Zhang, S.; Tan, Z. a.*; Hou, J.*, Design, Application, and Morphology Study of a New Photovoltaic Polymer with Strong Aggregation in Solution State. Macromolecules 2012, 45 (24), 9611-9617. 【2】Ye, L.; Zhang, S.; Qian, D.; Wang, Q.; Hou, J.*, Application of Bis-PCBM in Polymer Solar Cells with Improved Voltage. The Journal of Physical Chemistry C 2013, 117 (48), 25360-25366. 【3】Ye, L.; Jiang, W.; Zhao, W.; Zhang, S.; Qian, D.; Wang, Z.*; Hou, J.*, Selecting a Donor Polymer for Realizing Favorable Morphology in Efficient Non-fullerene Acceptor-based Solar Cells. Small 2014, DOI: 10.1002/smll.201401082. 【4】Zhang, X.; Lu, Z.; Ye, L.; Zhan, C.*; Hou, J.*; Zhang, S.; Jiang, B.; Zhao, Y.; Huang, J.; Zhang, S.; Liu, Y.; Shi, Q.; Liu, Y.; Yao, J.*, A Potential Perylene Diimide Dimer-Based Acceptor Material for Highly Efficient Solution-Processed Non-Fullerene Organic Solar Cells with 4.03% Efficiency. Adv Mater 2013, 25 (40), 5791-5797. 【5】Tan, Z. a.*; Li, S.; Wang, F.; Qian, D.; Lin, J.; Hou, J.; Li, Y.*, High performance polymer solar cells with as-prepared zirconium acetylacetonate film as cathode buffer layer. Sci. Rep. 2014, 4, 770. 4个附件  JPCC Bis-PCBM.jpg |
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