有機(jī)太陽能電池作為一種清潔技術(shù)在未來能夠被應(yīng)用于各種場合，包括物聯(lián)網(wǎng)，智能玻璃和電子皮膚等。目前基于雙組分的本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過18%，但是由于給受體的自聚集效應(yīng)使本體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池的穩(wěn)定性大大降低。而將給受體分子通過共價鍵連接成單一分子作為活性層應(yīng)用于單組分太陽能電池可以極大提高其穩(wěn)定性。同時單組分有機(jī)太陽能電池其制備工藝簡單，光電轉(zhuǎn)換過程易于理解等都有助于其未來在大面積以及柔性光電器件方面的應(yīng)用。盡管單組分有機(jī)太陽能電池已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷史，但是由于材料及其合成方法有限和形貌調(diào)控困難等，其能量轉(zhuǎn)換效率大都低于3%。
圖1 (a)單組分和雙組分有機(jī)太陽能電池圖示 (b)自2000年以來其能量轉(zhuǎn)換效率
自2017年以來，
李韋偉教授團(tuán)隊(duì)在單組分有機(jī)太陽能電池方面取得眾多突破。在材料合成方面，團(tuán)隊(duì)采用"functionlization-polymerization"方法，即先功能化，再聚合的方法設(shè)計(jì)合成雙纜共軛高分子，如圖2。先將芳香酰亞胺引入聚合單體，采用鈀催化的Stille、Suzuki、C-H活化聚合等設(shè)計(jì)合成一系列D-A結(jié)構(gòu)的雙纜共軛高分子，如圖3。
圖2 “functionlization-polymerization”方法設(shè)計(jì)合成雙纜共軛高分子
在形貌調(diào)控和表征方面，團(tuán)隊(duì)利用GIWAXS、GIMAXS等多種手段，研究雙纜共軛高分子結(jié)晶情況，研究發(fā)現(xiàn)其能形成與嵌段共聚物類似的層狀相分離，并構(gòu)建了如圖4所示的層狀堆積模型。而在非晶區(qū)域，研究發(fā)現(xiàn)通過控制給體與受體單元的混溶性，更有利于激子解離成自由電荷。通過在給體骨架不同位置引入氯原子，改變給體骨架的扭轉(zhuǎn)角從而實(shí)現(xiàn)更好的混溶性。
圖4 傳統(tǒng)高分子和雙纜高分子在結(jié)晶區(qū)的理想納米結(jié)構(gòu)
在單組分太陽能電池應(yīng)用方面，李韋偉教授團(tuán)隊(duì)通過各種策略不斷將單組分有機(jī)太陽能電池的效率刷新。團(tuán)隊(duì)首先通過調(diào)節(jié)給體骨架和給受體單元之間的連接單元長度，調(diào)節(jié)其相分離，初步獲得2.73%的能量轉(zhuǎn)換效率。接著團(tuán)隊(duì)提出線性骨架設(shè)計(jì)策略，使得雙纜共軛高分子實(shí)現(xiàn)5 nm相分離，將效率提高到4.18%。另外研究發(fā)現(xiàn)熱退火更有利于雙纜共軛高分子實(shí)現(xiàn)層狀堆積，以及改變主鏈骨架的扭轉(zhuǎn)角可以調(diào)節(jié)其混溶性，最終實(shí)現(xiàn)了單組分有機(jī)太陽能電池8.4%的能量轉(zhuǎn)換效率記錄。同時團(tuán)隊(duì)和國外課題組合作研究了單組分有機(jī)太陽能電池的物理過程和以及穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)異的光、熱穩(wěn)定性。
作者希望該綜述能夠吸引更多研究者的關(guān)注并使單組分有機(jī)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率獲得新的突破。相關(guān)論文以"Double-Cable Conjugated Polymers with Pendant Rylene Diimides for Single-Component Organic Solar Cells "為題發(fā)表在
Accounts of Chemical Research 上。
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