宽带隙、深HOMO的亲水共轭聚合物及其用作高效率倒装聚合物太阳电池的电子选择层

2015-11-30 449

与正装聚合物太阳电池(PSC)相比,倒装PSC以其更高的能量转换效率和更好的稳定性而备受重视。倒装PSC通常采用沉积有ITO的透明玻璃为阴极,太阳光从ITO阴极区入射到由窄带隙共轭聚合物给体与富勒烯受体组成的光吸收活性层,太阳光被活性层吸收后形成激发态,激发态经电荷分离形成电子和空穴,这两种载流子经活性层的受体相和给体相分别输运至阴极和阳极。由于ITO的功函大,从富勒烯受体中收集电子存在势垒,会明显制约电池的效率,为此在ITO阴极和活性层之间加入电子选择层十分必要。比如,以PFN和聚咔唑类亲水共轭聚合物作为电子选择层能明显提高倒装PSC的效率,但是这些亲水共轭聚合物的吸收截止边在430nm左右,带隙不够大,入射太阳光的短波长部分总是使其处于激发态。

近期,陈军武教授研究组采用间位苯和3,6-芴来构筑了两种亲水共轭聚合物,能将带隙大幅提高到3.65eV,薄膜吸收截止边位于340nm,能让太阳光更充分入射到活性层,并减小被入射光激发的机会。HOMO能级下沉到-6.15eV,具有更高的抗氧化能力。引入这两种亲水共轭聚合物能使ITO功函减小至4.35eV,能匹配富勒烯的LUMO能级,大幅改善了ITO对电子的收集,基于PTB7的倒装PSC效率分别达8.58%和8.33%,展现了它们作为电子选择层的应用潜力。相关研究结果发表在Macromol. Rapid Commun. [2015, 36, 1393–1401]。

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两种宽带隙、深HOMO亲水共轭聚合物的化学结构式


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