全聚合物太阳电池的光活性层中的给受体材料均由聚合物构成, 其具有优异的形貌稳定性及机械稳定性等突出优点, 在实现大面积、柔性有机太阳电池的制备中具有较大潜力, 引起了越来越多研究者的兴趣. 随着各种新型聚合物给体/受体材料相继被开发出来及器件结构的不断发展, 全聚合物太阳电池异军突起, 器件效率目前已经突破18%. 然而, 相较于非富勒烯小分子受体太阳电池, 全聚合物太阳电池面临效率仍需进一步提高、聚合物给/受体性能的批次差异等问题, 如何开发高性能聚合物给/受体材料及制备高效器件仍面临一定的挑战. 华南理工大学黄飞课题组着眼于全聚合物太阳电池给/受体材料的开发、器件结构调控、界面工程等方面, 系统总结了近年来该领域内的代表成果, 并对未来高效全聚合物太阳电池材料、器件的发展做出了展望.
有机太阳电池(Organic solar cells, OSCs)以有机半导体为光敏活性层, 具有质轻、柔性、颜色和透明度可调节及可溶液大面积加工等特点, 未来在光伏发电、柔性便携式电子设备及建筑光伏一体化等领域具有极大的应用前景, 在实现我国“双碳”目标的过程中将扮演着重要角色. 得益于各种光敏活性层材料(给体及受体材料)的开发、器件结构及制备工艺的发展, OSCs的能量转化效率(Power conversion efficiency,
PCE)和稳定性获得了显著的提高, 目前已经到了从研究向商业化应用转变的阶段.
早在1959年, 有机共轭分子就被用作光敏层而制作光伏器件, 有机半导体实现了将光到电的转化. 但由于有机半导体较低的介电常数, 光生激子的束缚能较大, 激子难以解离成自由空穴和电子, 导致当时的OSCs通常表现出很低的光伏效率. 1986年, 邓青云等人以酞菁铜衍生物为给体材料、芘衍生物为受体材料制备了双层结构的OSC, 获得了约1.0%的PCE, 为OSCs的发展做出了里程碑式的贡献. 1992年, Heeger等人报道了有机共轭聚合物和富勒烯(C60)间的超快电荷转移现象, 并在此基础上制备了双层有机光伏器件. 1995年, Heeger和俞钢等人首次制备了本体异质结(Bulk Heterojunction,
BHJ)OSCs, 有效减小了激子扩散的距离, 促进了激子的解离, 在单色光下实现了2.90%的PCE.此后, OSCs得到了研究者们的广泛关注并获得了快速发展.OSCs的光敏活性层主要由给体材料和受体材料组成, 经过近30年的发展, 各种给体/受体材料相继被开发出来, OSCs的性能也得到显著提升. 初期,富勒烯衍生物成为受体材料的主流, 包括PC61BM和PC71BM, 基于富勒烯衍生物受体的OSCs得到了广泛的研究, 器件效率已经接近12%. 然而, 富勒烯衍生物受体在可见光及近红外光区的吸收较弱、能级不易调节, 一定程度上限制了富勒烯衍生物受体OSCs效率的进一步提升. 2015年, 占肖卫等人首次报道了具有受体单元–稠环给体–受体单元(A–D–A)共轭结构的非富勒烯受体分子ITIC, 拉开了非富勒烯受体OSCs研究的序幕. 非富勒烯受体具有近红外区强吸收、能级易调节等特点, 应用于OSCs展示出非常大的潜力, 近年来受到了国内外研究者的重点研究. 2019年, 邹应萍等人将吸电子结构引入非富勒烯受体分子的中间核单元上, 报道了具有A–DA′D–A结构的Y系列明星分子Y6, 所制备的OSCs获得了15.7%的效率. 目前, Y系列非富勒烯受体成为高效OSCs受体材料的研究热点, 基于此类受体材料的OSCs单层器件的效率已经超过了19%, 叠层器件的效率超过了20%.上述高效率的OSCs的活性层通常采用共轭聚合物给体和小分子受体, 获得了非常突出的PCE, 但小分子受体容易发生聚集, 一定程度上影响了器件的稳定性. 全聚合物太阳电池(All-PSCs, All polymer solar
cells)以聚合物给体及聚合物受体作为活性层, 由于给/受体材料均为聚合物, 因此具有优异的形貌稳定性和机械稳定性, 在柔性大面积有机太阳电池的应用中更具优势, 一直以来也受到研究者们广泛关注. 然而, 由于All-PSCs中活性层的形貌调控更为复杂、高性能聚合物受体材料发展较慢、聚合物性能存在批次差异等问题, All-PSCs的发展及效率一直以来都落后于基于聚合物给体与小分子受体的太阳电池. 近年来, 随着各类新型聚合物给体和聚合物受体的出现、器件结构及制备工艺的发展,
All-PSCs的性能得到快速提升, 即将达到非富勒烯小分子受体OSCs的水平.1995年, Heeger等人将CN-PPV作为受体材料制备All-PSCs, 器件PCE达到0.9%. 受限于当时聚合物受体材料较低的电子迁移率, All-PSCs的效率普遍不高. 2009年, Facchetti等人报道了基于萘二酰亚胺(NDI)的聚合物N2200, 该聚合物被用于制备有机场效应晶体管并表现出较高的电子迁移率. 随后, 将其与P3HT共混制备成全聚合物太阳电池并实现了0.21%的PCE. 黄飞等人开发出一系列基于苯并三唑并酰亚胺(TzBI)的新型聚合物给体, 将PTzBISi与N2200共混制备All-PSCs, 获得了当时基于N2200受体的电池最高效率10.1%. 苝二酰亚胺(PDI)具有好的分子平面性及强的吸电子能力, 也被广泛用来构建聚合物受体材料. 2007年, 占肖卫等人用PDI构建聚合物受体PPDI-DTT, 用其所制备的全聚合物太阳电池获得了超过1%的效率. 刘俊等人将硼氮配位键(B←N)桥联的共轭结构单元用来构建共轭聚合物, 成功开发了一系列具有B←N配位键的聚合物受体材料, 经过发展, 基于此类聚合物受体的All-PSCs的器件效率超过10%. 得益于非富勒烯受体分子的快速发展, 各种以非富勒烯受体分子为共聚单元的聚合小分子受体(PSMAs, Polymerized small molecular acceptors)材料被开发出来, 极大地促进了全聚合物太阳电池效率的提高. 2017年, 李永舫等人开发出聚合物受体PZ1, 将其制备成All-PSCs并取得了9.19%的器件效率. Y系列非富勒烯受体分子也被用于构建PSMAs, 黄飞等人开发出PJ1系列的聚合物受体并用其制备All-PSCs, 研究了此类聚合物受体分子量对器件性能的影响, 高分子量的PJ1实现了更高14.4%的器件效率. 近期, 基于Y系列非富勒烯受体分子的PSMAs异军突起, 各种性能优异的聚合物受体被相继开发出来, 全聚合物太阳电池器件的效率也达到了18%.华南理工大学黄飞课题组介绍聚合物受体材料的发展、代表性聚合物给体材料的发展以及全聚合物太阳电池结构调控和界面调控. 文章主要包括: 基于NDI单元的聚合物受体材料、基于PDI单元的聚合物受体材料、含硼氮配位键的聚合物受体材料、基于非富勒烯受体分子的聚合物受体材料、基于其他共轭结构单元的聚合物受体材料、单组分全聚合物太阳电池材料、三元全聚合物太阳电池以及全聚合物太阳电池的界面调控. 通过对全聚合物太阳电池材料与器件研究进展的总结, 以期给未来全聚合物太阳电池的发展提供参考, 加速有机光伏技术的研究与产业化进程 (见下图).
该文将收录于 《中国科学：化学》“柔性电子材料与器件专刊”，点击下方链接或“阅读原文”可读全文：
刘春晨, 白原青, 胡正伟, 黄飞. 全聚合物太阳电池材料与器件. 中国科学 : 化学, 2022, doi:10.1360/SSC-2022-0171