华南理工大学黄飞教授课题组：基于萘二并噻二唑的高效厚膜活性层材料的光伏性能研究

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聚合物太阳电池由于具有质轻，柔性以及可大面积加工等优势受到了学术界和工业界的广泛关注。过去十多年，科学家们通过合理设计活性层材料，精细优化器件结构，改进制备工艺，优化微观形貌结构以及对有机光伏相关物理机制的研究等方式来不断突破聚合物有机太阳电池的光电转换效率。本体异质结电池和叠层电池结构的光电转化效率都超过12%。但是目前已报道的大多数高效率的活性层材料，其在制备光伏器件时的最优膜厚都仅在100 nm左右，这不利于将来工业生产采用“卷对卷” (roll-to roll) 技术大规模制备大面积器件。至今，仅少量文献报道共轭聚合物材料能够在300 nm膜厚保持较高的效率，因此，需要优先考虑设计能满足厚膜加工的有机聚合物太阳电池材料，这样才能满足加工技术的要求，从而面向未来大规模生产和商业化应用。

华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室黄飞教授课题组一直致力于高效厚膜活性层材料设计及光伏性能等方面研究，提出了将萘二并噻二唑单元与高迁移率的有机场效应晶体管材料相结合的设计思路，保证了对太阳光强的吸收，并且具有较高的迁移率，能够在较厚的活性层中实现电荷的高效分离并形成载流子产生光电流。

图1. 聚合物NT812的结构式及以邻二甲苯作为旋涂溶剂制备器件的J-V曲线

在2016年，黄飞教授课题组报道了基于（3-烷基噻吩-2-基）噻吩并[3,2-b]噻吩（BTTT）作为给体单元，萘二并噻二唑（NT）作为受体单元的新型D-A窄带隙共轭聚合物，如图1所示。系统研究了烷基链及器件结构对器件光伏性能的影响，发现基于较短烷基链的聚合物NT812的器件，在活性层厚度约300 nm时，使用卤素溶剂或者环境友好型溶剂作为旋涂溶剂，光电转换效率都达到10%以上；并且当活性层厚度达到1μm时，器件依然维持在8%以上的光电转换效率。这项研究工作为高效厚膜活性层材料的设计提供了一种新的策略。

为了进一步提高器件光伏效率，最近黄飞教授课题组在NT812结构基础上进行修饰优化，设计合成了聚合物PNTT和PNTBDT，如图2所示。并且系统研究了分子量与器件光伏性能的关系。其中基于分子量最大的PNTT-H的器件效率在活性层厚度280 nm时达到11.35%，并且器件性能对活性层厚度不敏感，活性层厚度在660 nm以内，效率仍保持在10%以上，厚度达1050 nm时，器件效率依然保持在9%以上。基于PNTBDT的器件性能在活性层厚度约300 nm时也维持10%以上。这些研究表明构筑基于萘二并噻二唑单元的材料非常适合应用于厚膜有机高效太阳电池领域。

图2. (a)聚合物PNTT和PNTBDT的化学结构式；(b)基于PNTT-H正装器件不同活性层厚度与器件效率、短路电流的曲线关系；(c)聚合物PNTT和PNTBDT的J-V曲线；(d)聚合物PNTT和PNTBDT的EQE曲线

以上相关成果以《A Novel Naphtho[1,2-c:5,6-c′]Bis([1,2,5]Thiadiazole)-Based Narrow-Bandgap π-Conjugated Polymer with Power Conversion Efficiency Over 10%》和《Thick Film Polymer Solar Cells Based on Naphtho[1,2-c:5,6-c]bis[1,2,5]thiadiazole Conjugated Polymers with Efficiency Over 11%》为题分别发表在Advanced Materials (Adv. Mater. 2016, 28, 9811-9818)和Advanced Energy Materials（Adv. Energy Mater. 2017, DOI: 10.1002/aenm.201700944）上。博士生金耀城为上述论文的第一作者。相关工作得到了国家科技部，国家自然科学基金和广东省科技厅的资助。

论文链接：

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201603178/full

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201700944/full