聚合物太阳能电池活性层的形貌调控.PDF

中国科学: 化学 2016 年 第46 卷 第2 期: 195 ~ 207 《中国科学》杂志社 SCIENTIA SINICA Chimica SCIENCE CHINA PRESS 评 述 聚合物太阳能电池活性层的形貌调控 ① ②* ① ①②* 秦云朋 , 叶龙 , 范慧俐 , 侯剑辉 ① 北京科技大学化学与生物工程学院, 北京 100083 ② 北京分子科学国家实验室; 高分子物理与化学国家重点实验室; 中国科学院化学研究所, 北京 100190 *通讯作者, E-mail: hjhzlz@; yelong@ 收稿日期: 2015-08-03; 接受日期: 2015-08-26; 网络出版日期: 2015-12-14 国家重点基础研究发展计划(2014CB643501)和国家自然科学基金51173189 资助项目 摘要 聚合物太阳能电池由于制备工艺简单、重量轻、成本低廉、可制备大面积柔性器件等优点, 成为新能 源和材料科学中的重要研究方向. 经过近10 年的发展, 聚合物太阳能电池的能量转换效率从2005 年的5%提高 到目前的 10%左右, 然而聚合物太阳能电池的活性层形貌仍是制约其能量转换效率的一个重要方面. 本文围绕 聚合物太阳能电池结构与性能的关系, 重点介绍了活性层材料的分子设计(共轭主链调制、烷基侧链优化等)和加 工方法(热退火、添加剂、三元溶剂、绿色溶剂等)对其微观形貌的影响, 并展望了聚合物太阳能电池未来的发展 趋势以及面临的关键挑战. 关键词 聚合物太阳能电池, 微观形貌, 分子设计, 添加剂, 三元溶剂 1 引言 layer) 、金属电极以及与活性层之间的界面修饰层, 其 中实现光电转换功能的光伏活性层由给体光伏材料 太阳能在地球上分布广泛, 取之不尽、用之不竭, 和受体光伏材料组成. 在 PSCs 中, 通常将共轭聚合 是一种真正意义上的绿色能源. 聚合物太阳能电池 物给体(donor, D)与富勒烯衍生物受体(acceptor, A)在 (polymer solar cells, PSCs) 由于具有制备工艺简单、重 溶液中共混, 经溶液旋涂的方式形成纳米尺度混合 量轻、成本低廉、容易制备大面积柔性器件[1~4]等优 的双连续互穿网络结构光学活性层, 这即为所谓的 点而得到了广泛关注. 表征聚合物太阳电池性能的 本体异质结型(bulk heterojunction, BHJ)聚合物太阳 核心指标是能量转换效率(power conversion effici- 能电池[3]. ency, PCE), 它正比于 3 个性能参数, 分别为开路电 聚合物太阳能电池的光电转换包括5 个过程: (1) 压、短路电流和填充因子. 经过十几年的研究, 聚合 光照后光活性层吸收光子产生激子( 电子- 空穴对); 物太阳能电池的能量转换效率得到了迅速提高. 目 (2) 激子扩散到给体/受体界面; (3) 给体中的激子将 前, 文献报道的最高单结聚合物太阳能电池的转换 电子转移给受体, 受体中的激子将空穴转移给给体, 效率已经超过了10%[5~7]. 聚合物太阳能电池一般由 实现电荷分离; (4) 电子和空穴分别沿受体和给体向