清华大学张希院士评述：叠层聚合物太阳电池取得接近15%的光伏效率
聚合物太阳能电池(polymer solar cell，简称PSC)是重要的光电转换器件. 近年来，基于非富勒烯型电子受体的聚合物太阳能电池(NF-PSC)发展迅速. 迄今为止，单结NF-PSC的光伏效率已经达到13%以上,超过了传统的富勒烯型聚合物太阳能电池. 相比于单结NF-PSC，叠层NF-PSC有助于克服外量子效率受限和热损耗偏高的问题. 然而，叠层NF-PSC的构筑，对于材料的设计要求更高，器件制备的难度也更大，因而发展相对缓慢. 最近，侯剑辉等对叠层NF-PSC中的前、后子电池之间的光谱匹配性进行了优化调制，选用窄带隙的PTB7-Th:IEICO-4F作为后电池，宽带隙的J52-2F:IT-M作为前电池，来构建叠层NF-PSC，将光伏效率进一步提升到了14.9%，目前为该领域的最高值。
本文将简要介绍NF-PSC的发展概况，评述这一突出的研究成果，总结中国学术界在NF-PSC领域做出的卓越贡献，并展望该领域的广阔前景。
聚合物太阳能电池(polymer solar cell，简称PSC)具有可通过溶液涂布方式制备大面积柔性器件的突出优点，提升其将太阳能转换为电能的效率(简称：光伏效率)是当前重要研究目标之一.自Heeger等从1995年发明PSC以来[1]，虽然多种有机半导体均可表现出光伏特性，但是由聚合物电子给体和富勒烯电子受体组成的光伏材料体系备受关注. 富勒烯材料具有球状共轭结构,由其参与的电荷转移和传输过程对分子取向依赖性低，在材料体系和形貌调控方法较少的前期，更容易获得较高的光伏效率. 然而，经过多年发展，由聚合物给体和富勒烯受体构建的PSC的光伏效率已逐渐达到瓶颈. 如图1所示，在2011年含富勒烯受体的单结和叠层PSC的光伏效率达到11%，之后一直停滞不前. 因此亟待验证非富勒烯型聚合物太阳能电池(NF-PSC)在实现更高光伏效率方面的可行性。
相比于富勒烯电池，NF-PSC易于实现宽而强的吸收光谱，且同等光学带隙(Eg)下易于实现更高的开路电压，但对给/受体之间匹配性的要求更高. 随着有机光伏材料的日趋丰富和器件制备技术的逐渐提高，高效率NF-PSC的实现逐渐成为可能. 2015年，占肖卫等报道了基于A-D-A结构的非富勒烯受体(ITIC)以及光伏效率达6.8%的NF-PSC，表明ITIC是一种极具潜力的新型受体[2].2016年，中国科学院化学研究所侯剑辉课题组采用新型聚合物给体(PBDB-T)与ITIC共混，实现了给/受体之间吸收光谱和分子能级的良好匹配以及较为理想的相分离结构，成功地制备了具有11%光伏效率的NF-PSC[3]. 此后，该课题组针对PBDB-T 和 ITIC 进行优化设计，逐步将单结NF-PSC的光伏效率推进至13%以上[4]. 如图1所示，侯剑辉课题组陆续报道了3个由中国计量院验证的同期世界最高效率. 与此同时，国内多个课题组也在其他非富勒烯有机太阳能电池的研究中取得快速进展，基于全小分子[5]和全高分子活性层[6]的单结电池的突出结果均由我国学者报道，表明中国在此研究方面已经走在了世界最前列。
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.
尽管NF-PSC在拓宽光响应谱带和提升输出电压方面具有突出优势，但是仍然面临外量子效率受限和热损耗偏高的问题. 构筑具有叠层结构的NF-PSC是克服上述问题，从而进一步提升光伏效率的有效途径. 然而，由于叠层电池中涉及的材料种类多，器件制备难度大，其发展仍滞后于单结结构的NF-PSC. 近期，侯剑辉等人对叠层NF-PSC中的前、后子电池之间的光谱匹配性进行了优化调制. 他们通过一系列对比实验，选用窄带隙的PTB7-Th:IEICO-4F作为后电池(Eg =1.24 eV)和宽带隙的J52-2F:IT-M作为前电池(Eg =1.59 eV)构建叠层电池，实现了对300 ~ 1000 nm区间的太阳光的高效吸收，获得了超过13 mA/cm2的短路电流密度. 同时，由于前、后子电池均具有较低的能量损耗，整个器件的开路电压达到了1.65 V. 相比于该团队前期取得的结果[7]，该叠层NF-PSC的光响应谱向长波方向拓宽了100 nm,短路电流密度提升了近2 mA/cm2，因此，其光伏效率也从13.1%提升至14.9%. 美中不足的是，该电池封装之后效率略有衰减，由中国计量科学研究院验证的光伏效率降低至14.0%，但仍然是领域内取得的最高效率. 该高效率叠层NF-PSC的研究结果发表在《高分子学报》期刊上[8].
鉴于非富勒烯型聚合物太阳能电池研究的重要性，为了继续保持我国在光伏活性材料和器件制备研究方面的引领地位，国家自然科学基金委员会化学部已经于2017年开始，以重点项目群的方式支持多个研究集体开展协同创新研究. 在未来的研究中，进一步大幅提升NF-PSC的光伏效率仍然势在必行，这类电池能否达到与无机或有机/无机杂化光伏技术相比拟的光伏效率尚未可知。
另外，随着光伏效率的迅速提升，也需要重视和解决NF-PSC在实际应用中面临的问题,如：电池稳定性与衰减机制、大面积制备技术、高效率材料低成本制备等. 期待我国学者在此领域继续做出独特和独有的贡献，为改善能源结构贡献中国策略。
参考文献：
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(杨晨熠), Zhang Shaoqing(张少青), Hou Jianhui(侯剑辉). ActaPolymerica Sinica(高分子学报), 2018, (2): 223 – 230
文章链接：
http://www.gfzxb.org/article/doi/10.11777/j.issn1000-3304.2018.18019
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