化學所在非富勒烯型聚合物太陽能電池研究中取得進展

　　近年來，聚合物太陽能電池由于其重量輕、價格低廉、可通過印刷的方式制備大面積柔性器件等優勢，得到了學術界和工業界的廣泛關注，是重要的前沿研究領域。聚合物太陽能電池的活性層通常由基于聚合物/有機小分子的電子給體和電子受體共混而成。作為電子受體材料，以PCBM為代表的富勒烯類n-型有機半導體已經被廣泛應用于聚合物太陽能電池中，基于聚合物-富勒烯的聚合物太陽能電池效率已經突破11%。由于富勒烯類受體存在可見區光吸收較弱、分子能級調制范圍小、合成和提純成本較高的局限性，人們逐漸將目光轉向基于非富勒烯型聚合物太陽能電池。長期以來國內外的多個研究組聚焦于非富勒烯類受體的研究，但基于聚合物給體-非富勒烯受體的太陽能電池效率仍明顯低于聚合物給體-富勒烯受體的太陽能電池。近年來，多種具有優良特性的非富勒烯型受體被設計出來，如萘二酰亞胺類聚合物受體N2200、A-D-A型小分子ITIC、苝二酰亞胺類小分子和聚合物受體等。上述新型受體為制備高效率非富勒烯聚合物太陽電池提供了可能。

　　非富勒烯型聚合物太陽能電池不僅需要高性能的受體材料，而且需要對聚合物給體的化學結構和光電特性進行細致的調控。2013年，中國科學院化學研究所高分子物理與化學實驗室報道了一種基于二維共軛BDT單元與BDD單元的聚合物（簡稱：PBDB-T）（Macromolecules 2012, 45, 9611-9617）。此后，該實驗室的研究人員采用聚合物PBDB-T與多種非富勒烯受體材料共混制備光伏器件，研究結果表明，該聚合物十分適合用于制備高效率的非富勒烯型聚合物太陽能電池。基于此，科研人員取得了一系列研究進展Org. Electron. 2015, 17, 295-303；ACS Appl. Mater. Interf. 2015, 7, 9274-9280；Adv. Mater. 2015, 27, 6046-6054。

　　近期，在中科院和國家自然科學基金委的支持下，化學所高分子物理與化學實驗室侯劍輝課題組研究人員進一步將PBDB-T與市售非富勒烯型受體材料ITIC共混構建非富勒烯型聚合物太陽能電池，在小面積器件（13 mm2）中取得了創紀錄的11.2%的能量轉換效率。這不僅是目前非富勒烯受體太陽能電池效率最突出的結果之一，并一舉使非富勒烯型聚合物太陽能電池效率達到了富勒烯受體的最好水平。課題組也制備了1cm2的電池，該電池的效率由具有資質的第三方采用“窗口法”進行了驗證，達到了10.78%，是1cm2聚合物太陽能電池中取得的最高結果。另外，這個電池活性層薄膜形貌也表現了出色的熱穩定性，經過100 oC熱退火處理250小時，仍然可以保持接近11%的光伏效率（Adv. Mater. 2016, 28, 4734–4739）。該工作發表之后，引起多家科技媒體的關注，其中，Nature 雜志在其Research Highlights（Nature 2016, 285, 532）中對該工作進行評價，認為“1平方厘米電池中取得10.78%的效率是有機光伏電池的紀錄性結果”，并指出該電池“易于實現低成本制備”。

具有11%效率的非富勒烯型聚合物太陽電池結構與效率驗證報告