聚合物太陽能電池中高量子效率能量耗低于0

1、聚合物太陽能電池中高量子效率能量耗低于0.6Ev摘要：基于二酮吡咯并吡咯共軛聚合物連接噻唑單元以及連接不同的給體來設(shè)計聚合物太陽能電池。已經(jīng)獲得50%以上的量子效率、在光學(xué)帶隙和開路電壓能量損失低于0.6eV。聚合物太陽能電池中共軛聚合物作為電子給體與富勒烯衍生物作為受體相結(jié)合已被集中研究。單結(jié)太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)獲得了10%以上。主要原因是由于聚合物太陽能電池效率與無機薄膜太陽能電池相比任然比較低。例如，鈣鈦礦太陽能電池開路電壓能量損失與光學(xué)能級有關(guān)，這是由線性吸收推斷的。太陽能電池中最低光子能量損失被定義為Eloss =Eg qVoc，先前提出的是0.6eV，實際上有效的聚合物太陽能

2、電池是Eloss =0.70.8eV。交換是指能量損失降低到0.6eV，電荷產(chǎn)生的量子效率將急劇下降。鈣鈦礦太陽能電池能量損失不到0.5eV。開路電壓和電荷遷移導(dǎo)致聚合物太陽能電池光子能量損失，聚合物的單峰態(tài)和電荷遷移態(tài)能量損失是不同的。而后者的最小價值可以是0.1eV，甚至是更小，好的電池能量損失從S1到CT態(tài)是0.2到0.3eV。它常常被認(rèn)為光能損失可能是參與電荷分離和提高光子轉(zhuǎn)換為自由電子的能量。圖1顯示了好的聚合物一定范圍外量子效率與Eloss之間的關(guān)系。將來要提高聚合物太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率，Eloss值將一定會減小，從而保持一個高的量子效率來產(chǎn)生電荷。因此，聚合物要求盡可能接近降低

3、到0.6Ev,但是這是極少的。這里我們呈現(xiàn)了共軛聚合物的合成和應(yīng)用，設(shè)計一個低的光電能量損失和證明在聚合物太陽能電池中電荷產(chǎn)生能Eloss小于等于0.6eV。萬能的設(shè)計意圖是通過富電子和缺電子來改變聚合物的最優(yōu)帶隙和氧化還原能。好的富電子和缺電子單元有低的帶隙，降低電離電位和增加電子親和力。給體的電離電位和受體的電子親和力之間能量的不同決定了開路電壓。在我們的設(shè)計中我們選擇了DPP作為缺電子單元，DPP衍生物已經(jīng)成功的應(yīng)用到太陽能電池近紅外吸收，此時DOO3、6位置被噻吩取代。我們感興趣的材料提供了高的開路電壓，它對電離電位很重要。這種材料是將富電子的噻吩替換為噻唑。噻唑增加了負(fù)電性氮原子從而

4、使得聚合物的電離電位和電子親和力都增加。最近，我們合成的PDPP2TzT電子親和力增強使得它可以作為所有聚合物太陽能電池的受體。當(dāng)PCBM為電子受體，PDPP2TzT為電子給體，得到很低的能量轉(zhuǎn)換效率。為了得到高的IP和EA我們將PDPP2TzT的噻吩環(huán)替換成富電子的BDT、2T、DTP。新的衍生物使得太陽能電池能量損失小于0.6eV，而且電荷產(chǎn)生高量子效率。結(jié)果表明在聚合物太陽能電池中合成的共軛聚合物電荷產(chǎn)生效率能量損失小于0.6eV。使用二DPP單元和二甲錫烷基給體單元合成DPP聚合物，偶聯(lián)使用Pd2(dba)3 /PPh3為1:4的催化體系，溫度為115oC，溶劑是甲苯：DMF為10:1

5、。這個反應(yīng)條件旨在降低單邊反應(yīng)和主鏈偶聯(lián)的缺點。在太陽能電池中改變側(cè)鏈烷基改變可以調(diào)節(jié)聚合物的溶解度，同時也可以優(yōu)化聚合物的形態(tài)。我們設(shè)計了將HD、DT、BO在PDPP2TzT的側(cè)鏈取代基作為給體。結(jié)合高分子重量范圍76.0到108.9kg/mol和DPP聚合物的總趨勢，聚合物與PCBM混合被期望得到納米級的網(wǎng)狀物。DPP聚合物展現(xiàn)了很強的近紅外吸收，聚合物就T、2T、DTB取代BDT后帶隙Eg由1.53eV分別降低到1.47，1.44，1.28。聚合物的氧化還原電位由薄膜循環(huán)伏安法決定，PDPP2TzT有高的氧化電位0.74V和還原電位-1.16V。聚合物還有BDT、2T、DTP單元使得氧化

6、和還原電位均降低。表一顯示PDPP2TzT和PCBM的還原電位只有0.07eV，這使得光誘導(dǎo)電荷太小，還原電位對三個聚合物有稍微的偏大。還原電位低于0.3eV常常被認(rèn)為有效電荷分離的臨界值。PCBM的氧化電位對Fc/Fc +是1.4V，這使得不同的聚合物氧化電位足夠大。測試這些聚合物作為給電子在太陽能電池的性能，DPP聚合物與PCBM混合作為電子受體，薄層在ITO/MoO3夾層中作為孔收集電極，LiF/Al作為復(fù)合陰極。當(dāng)我們使用PEDOT:PSS取代MoO3，密度電壓特性在圖S4和表S1可以看到，這是由于PASSH酸和噻唑單元上氮的相互作用。我們幾乎不認(rèn)為S形是由功函數(shù)與PEDOT:PSS對

7、比不足的原因引起的，因為特定PEDOT:PSS公式用來提供開路電壓不超過1V，對其他聚合物富勒烯電池沒有S形，使用MoO3有效的去除S形。通過調(diào)節(jié)溶劑和助溶劑、受體和給體比例、薄膜厚度來優(yōu)化感光層。聚合物富勒烯重量比為1:2和氯仿旋涂10%DCB使得PDPP2TzT和PDPP2TzBDT獲得很好性能。PDPP2TzT和PDPP2TzBDT最優(yōu)重量比為1:3，氯仿旋涂5%DCB，活性層最優(yōu)厚度為105nm，圖四中顯示J-V特性和EQE,裝置參數(shù)總結(jié)在表二中，積分EQE在AM1.5G光譜中測量短路電流。盡管PDPP2TzT與PCBM混合電池有相對高的開路電壓0.96V，穩(wěn)定的能量轉(zhuǎn)換效率1.1%，

8、低的短路電流，低的還原電位0.07eV。PDPP2TzBDT與PCBM混合電池的還原電位增加到0.16eV，短路電流增加到6.2mA/cm-2和能量轉(zhuǎn)換效率為3.2%，PDPP2Tz2T與PCBM混合短路電流為8.8mA/cm-2，還原電位為0.21eV，能量轉(zhuǎn)換效率為5.1%，PDPP2Tz2T盡管帶隙能量低，但開路電壓仍然高0.92eV。最終PDPP2Tz2DTP與PCBM混合形成的電池還原電位為0.22eV，能量轉(zhuǎn)換效率增大為5.6%，短路電流為14.9mA/cm-2。這些電池的填充因子較其他DPP聚合物相對低（0.530.63），實際上它們是纖維狀混合物，半結(jié)晶聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在TEM顯

9、微下觀察最多的是DPP聚合物。不同的開路電壓也反射出不同的EQE，在僅有聚合物吸收的波長范圍，PDPP2TzT與PCBM混合電池EQE極大值是0.05。其它三個聚合物EQE值分別增加到0.25，0.40，0.52。 EQE值由多個因素決定，最近我們發(fā)現(xiàn)DPP聚合物有高的EQE主要是與狹窄聚合物纖維有關(guān)。聯(lián)系結(jié)果可知，PDPP2Tz2DTP與PCBM有高的EQE是因為它有好的形態(tài)，而其它三個形態(tài)較粗糙。其它影響我們研究的是能量損失影響，比較表一和表二揭示了能量損失，能量損失與還原電位相似，也與EQE有關(guān)。PDPP2TzT與PCBM混合電池能量損失最小為0.48eV，EQE值也最小，而PDPP2T

10、z2DTP與PCBM電池能量損失為0.59eV，EQE的極大值增加到0.52，PDPP2TzBDT與PCBM混合電池和PDPP2Tz2T與PCBM混合電池能量損失為0.55eV，但是后者有高的EQE和能量轉(zhuǎn)換效率值。然后結(jié)果顯示，增加EQE將有較大的能量損失，圖一可以得出。PDPP2Tz2DTP與PCBM電池EQE值為0.52，而能量損失為0.59eV，它高于DPP聚合物PDPP3T的EQE為0.49，能量損失為0.65eV。一個相似的低能量損失聚合物被Bazan課題組報道：共軛聚合物PIPCP能量損失為0.61eV，EQE為0.61。EQE值很容易從文獻數(shù)據(jù)庫得到，內(nèi)量子效率（IQE）是重要

11、參數(shù)對不同的材料。105nm薄層，這些混合吸收吸收峰都達90%。在聚合物太陽能電池中EQE值和內(nèi)量子效率值相似(如圖4d)，聚合物PDPP2TzT, PDPP2TzBDT, PDPP2Tz2T, 和PDPP2TzDTP太陽能電池綜合內(nèi)量子效率吸收范圍分別為0.09，0.34，0.41，0.59。高EQE和內(nèi)量子效率能量損失小于0.6eV，DPP連接噻吩聚合物打破的太陽能電池能量損失0.6eV的限制。這些聚合物設(shè)計有低的還原電位結(jié)合高的氧化電位以便開路電壓可以最優(yōu)化反映帶隙能級。盡管太陽能電池已經(jīng)獲得相對低的能量損失，將來提高太陽能電池效率需要提高EQE值。提高包括降低能量混亂、降低給體和受體界面面積來降低自由載體