噻吩環助力厚膜聚合物太陽能電池

　　有機太陽能電池作為一種非常具有前景的可再生能源轉換技術，受到了學術界和工業界的廣泛關注。伴隨著新型材料的制備和應用、給受體形貌控制、界面改性和器件工程的提高，有機太陽能電池的光電轉換效率（PCE）已經突破12%，甚至超越13%（10.1021/jacs.7b01493，10.1038/nphoton.2016.240）。其中聚合物太陽能電池（PSCs）作為有機太陽能電池的重要組成部分，相比小分子太陽能電池，其優勢包括形貌穩定、粘度較高、遷移率較高，更容易制備成厚膜太陽能電池，從而可以適應高速及批量印刷加工，例如卷對卷（roll to roll）加工和噴墨打印。然而現在用于厚膜加工的高效聚合物體系較少，其主要原因之一就是多數聚合物體系的性能會隨著活性層厚度的增加而急劇降低，而下降的主要參數為填充因子（FF）。

　　近日，荷蘭埃因霍溫理工大學的René A. J. Janssen教授課題組聯合上海交通大學的劉烽教授課題組，通過研究實驗室設計合成的一系列聚合物，并總結分析已報道的活性層厚度超過200 nm、填充因子超過0.6并且PCE超過7%的32種不同共軛聚合物，發現并證明了共軛聚合物分子主鏈中噻吩環的引入能夠有效提高厚膜聚合物太陽能電池的器件性能。

圖1. 不同噻吩環含量（x）的聚合物C10-Thx的合成。

　　他們報道了一系列基于苯并[1,2-b:4,5-b' ]二噻吩（BDT）和5,6-二氟代苯并[2,1,3]噻二唑（ffBT）的共聚物C10-Thx，通過系統調控噻吩環在共聚物主鏈中的比例，進而發現了隨著共聚物分子主鏈中噻吩環含量的增加，厚膜（活性層厚度約250 nm）器件性能單調遞增，從C10-Th00到C10-Th100，FF由0.45增加到0.61，PCE由4.1%提升到7.7%。

表1. 基于C10-Thx :[70]PCBM的聚合物太陽能電池在活性層厚度為250 nm時器件性能參數。圖片來源：Adv. Energy Mater.

　　為了進一步闡明原因，他們分別從電學和形貌的角度繼續展開探究。從C10-Th00到C10-Th100，空穴遷移率和電子遷移率都呈現出一個明顯的增加趨勢，而電荷復合表現出明顯降低趨勢，這些結果對于器件性能FF、短路電流密度（Jsc）和PCE的提高都是有力的證據，他們將其歸功于聚合物分子鏈更有利的堆積和更加精細的相分離形貌。并指出背后的原理是未取代噻吩環的引入降低了π-π堆積距離和層層堆積距離，從C10-Th00到C10-Th100，π-π堆積距離由0.366 nm降低到0.356 nm，層與層之間距離由2.78 nm降低到2.48 nm；同時噻吩環的引入又會降低聚合物分子鏈的溶解性，從而導致和富勒烯共混時產生更有利的相分離形貌，從C10-Th00到C10-Th100，共混薄膜出現了更加精細分散的纖維狀納米結構和雙連續網狀結構，這一形貌對于激子有效解離和電荷在給、受體之間的傳輸都非常有利。

圖2. 聚合物和BHJ共混膜（約250 nm）的GIXD譜圖。（a）衍射圖（左邊為聚合物，右邊為BHJ共混膜）；（b）聚合物的切割線剖面圖；（c）BHJ共混膜的切割線剖面圖（實線為out-of-plane方向，點線為in-plane方向）。

　　總之，該項研究工作發現并證明了聚合物分子主鏈中引入噻吩環能夠提高厚膜PSCs器件性能，為將來設計與發展有實際應用的聚合物太陽能電池提供了清晰的指導。此外，文中觀察到的分子結構與器件性能之間的關系促使相關科研工作者尋求提高載流子遷移率，抑制電荷復合，調控聚合物堆積和優化形貌的方法來實現高效厚膜PSCs，這反過來又會促進聚合物太陽能電池的大面積加工和多節聚合物太陽能電池的發展。

　　我們期待該領域能夠出現更多闡釋結構-性能關系的文章，以此幫助大家將有機太陽能電池進一步推向產業化。