噻吩环助力厚膜聚合物太阳能电池

　　有机太阳能电池作为一种非常具有前景的可再生能源转换技术，受到了学术界和工业界的广泛关注。伴随着新型材料的制备和应用、给受体形貌控制、界面改性和器件工程的提高，有机太阳能电池的光电转换效率（PCE）已经突破12%，甚至超越13%（10.1021/jacs.7b01493，10.1038/nphoton.2016.240）。其中聚合物太阳能电池（PSCs）作为有机太阳能电池的重要组成部分，相比小分子太阳能电池，其优势包括形貌稳定、粘度较高、迁移率较高，更容易制备成厚膜太阳能电池，从而可以适应高速及批量印刷加工，例如卷对卷（roll to roll）加工和喷墨打印。然而现在用于厚膜加工的高效聚合物体系较少，其主要原因之一就是多数聚合物体系的性能会随着活性层厚度的增加而急剧降低，而下降的主要参数为填充因子（FF）。

　　近日，荷兰埃因霍温理工大学的René A. J. Janssen教授课题组联合上海交通大学的刘烽教授课题组，通过研究实验室设计合成的一系列聚合物，并总结分析已报道的活性层厚度超过200 nm、填充因子超过0.6并且PCE超过7%的32种不同共轭聚合物，发现并证明了共轭聚合物分子主链中噻吩环的引入能够有效提高厚膜聚合物太阳能电池的器件性能。

图1. 不同噻吩环含量（x）的聚合物C10-Thx的合成。

　　他们报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，通过系统调控噻吩环在共聚物主链中的比例，进而发现了随着共聚物分子主链中噻吩环含量的增加，厚膜（活性层厚度约250 nm）器件性能单调递增，从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的聚合物太阳能电池在活性层厚度为250 nm时器件性能参数。图片来源：Adv. Energy Mater.

　　为了进一步阐明原因，他们分别从电学和形貌的角度继续展开探究。从C10-Th00到C10-Th100，空穴迁移率和电子迁移率都呈现出一个明显的增加趋势，而电荷复合表现出明显降低趋势，这些结果对于器件性能FF、短路电流密度（Jsc）和PCE的提高都是有力的证据，他们将其归功于聚合物分子链更有利的堆积和更加精细的相分离形貌。并指出背后的原理是未取代噻吩环的引入降低了π-π堆积距离和层层堆积距离，从C10-Th00到C10-Th100，π-π堆积距离由0.366 nm降低到0.356 nm，层与层之间距离由2.78 nm降低到2.48 nm；同时噻吩环的引入又会降低聚合物分子链的溶解性，从而导致和富勒烯共混时产生更有利的相分离形貌，从C10-Th00到C10-Th100，共混薄膜出现了更加精细分散的纤维状纳米结构和双连续网状结构，这一形貌对于激子有效解离和电荷在给、受体之间的传输都非常有利。

图2. 聚合物和BHJ共混膜（约250 nm）的GIXD谱图。（a）衍射图（左边为聚合物，右边为BHJ共混膜）；（b）聚合物的切割线剖面图；（c）BHJ共混膜的切割线剖面图（实线为out-of-plane方向，点线为in-plane方向）。

　　总之，该项研究工作发现并证明了聚合物分子主链中引入噻吩环能够提高厚膜PSCs器件性能，为将来设计与发展有实际应用的聚合物太阳能电池提供了清晰的指导。此外，文中观察到的分子结构与器件性能之间的关系促使相关科研工作者寻求提高载流子迁移率，抑制电荷复合，调控聚合物堆积和优化形貌的方法来实现高效厚膜PSCs，这反过来又会促进聚合物太阳能电池的大面积加工和多节聚合物太阳能电池的发展。

　　我们期待该领域能够出现更多阐释结构-性能关系的文章，以此帮助大家将有机太阳能电池进一步推向产业化。