P3HT和ICBA的分子結(jié)構(gòu)以及基于P3HT/ICBA聚合物太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)和光伏性能

聚合物太陽能電池一般由共軛聚合物給體和富勒烯衍生物受體的共混膜夾在ITO透明正極和金屬負(fù)極之間所組成，具有結(jié)構(gòu)和制備過程簡單、成本低、重量輕、可制備成柔性器件等突出優(yōu)點(diǎn)，近年來成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。結(jié)構(gòu)規(guī)整的聚(3-己基)噻吩(P3HT)和可溶性C60衍生物PCBM是最具代表性的給體和受體光伏材料。基于P3HT/PCBM的光伏器件能量轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定達(dá)到3.5～4.0%左右，使這一體系成為聚合物太陽能電池研究的標(biāo)準(zhǔn)體系。但P3HT/PCBM體系也存在電子能級匹配性不好（P3HT的HOMO能級太高或者說PCBM的LUMO能級太低）的問題，這導(dǎo)致了器件的開路電壓較低，只有0.6 V左右，這限制了其能量轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提高。

在國家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目、中美雙邊國際合作項(xiàng)目和化學(xué)所分子科學(xué)中心創(chuàng)新項(xiàng)目的支持下，中科院化學(xué)研究所有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研人員從2009年開始開展新型富勒烯衍生物受體光伏材料的研究。他們首先研究了PCBM取代基上中間碳鏈長度對光伏性能的影響，發(fā)現(xiàn)中間碳鏈短一個(gè)碳或長兩個(gè)碳的C60衍生物的光伏性能比PCBM稍優(yōu)（Adv. Funct. Mater. 2010，20，1480-1487）。接著他們合成了一種茚雙加成C60衍生物ICBA（分子結(jié)構(gòu)見圖），其LUMO能級較PCBM上移0.17 eV，在AM1.5, 100 mW/cm2光照條件下，基于P3HT/ICBA的光伏器件開路電壓達(dá)到0.84 V，能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到5.44％，而同樣條件下，P3HT/PCBM體系的開路電壓只有0.58 V，能量轉(zhuǎn)換效率3.88％（J. Am. Chem. Soc.，2010，132，1377-1382）。為了改進(jìn)C60衍生物可見區(qū)吸收較弱的缺點(diǎn)，他們又合成了在可見區(qū)具有較強(qiáng)吸收的茚雙加成C70衍生物IC70BA，IC70BA的LUMO能級較PCBM上移0.19 eV，基于P3HT/IC70BA的光伏器件能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到5.64％（Adv. Funct. Mater.，2010，20，3383-3389）。

最近，他們對以P3HT為給體、ICBA為受體的光伏器件進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化，在給體/受體重量比1:1、150攝氏度熱處理10分鐘器件制備條件下，聚合物太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到6.48%（其中開路電壓0.84 V, 短路電流 10.61 mA/cm2, 填充因子 72.7%.），開路電壓、填充因子和能量轉(zhuǎn)換效率都是基于P3HT的聚合物太陽能電池文獻(xiàn)報(bào)道最高值（Adv. Mater. , 2010, 22, 4355-4358.）。

另外，他們還與臺灣交通大學(xué)合作，制備了以P3HT/ICBA為活性層的反向結(jié)構(gòu)（以ZnO納米晶修飾的ITO電極為負(fù)極、PEDOT:PSS/Ag電極為正極）的聚合物太陽能電池，通過使用一種可交聯(lián)的C60衍生物為負(fù)極修飾層，器件的能量轉(zhuǎn)換效率也超過了6%，達(dá)到6.22%（其中開路電壓0.84 V, 短路電流 12.4 mA/cm2, 填充因子60%），這是反向結(jié)構(gòu)聚合物太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率的最高值（J. Am. Chem. Soc.，DOI: 10.1021/ja108259n）。

由于P3HT具有易合成、低成本、以及反向結(jié)構(gòu)器件高穩(wěn)定性等突出優(yōu)點(diǎn)，這一結(jié)果對于聚合物太陽能電池的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。