聚合物太阳能电池(PSCs)作为一种新型薄膜光伏电池,具有成本低、可溶液制备、毒性低、材料来源广等优点,被认为是很有前途的新型能源技术之一。要实现PSCs的真正商业化应用,需要满足三大条件:高效率、高稳定性和低成本。经过科学家的不懈努力,目前PSCs的最高效率已超过18%,已接近商业化应用要求。此外,聚合物太阳能电池的轻柔以及可大面积印刷制备等特点,可以大大地降低器件的制备成本。然而到目前为止,文献报道的大多数聚合物太阳能电池的寿命只有几个月,还远未达到实用化要求(10年),对聚合物太阳能电池衰减机理的理解也不够深入。
在前述工作的基础上,项目团队开发通过在活性层中引入哌嗪——一种富勒烯三重态的猝灭剂有效地抑制了P3HT:PC61BM器件的衰减行为,器件在持续光照1000小时内性能衰减不超过10%。实验的结果同时还表明,活性层内哌嗪掺杂还可以通过与PC61BM间的光诱导电子转移过程,进而提高活性层的电子迁移率,实现器件效率的提升。即哌嗪分子掺杂同时提高了电池的光电转换效率和稳定性(图3)。更为重要的是,哌嗪分子掺杂PTB7:PC61BM,PTB7-Th:PC61BM,PffBT4T-2OD:PC61BM等电池均同时提升了这几类电池的光电转换效率和稳定性,表现出优异的协同效应和很广的普适性(Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7, 7099-7108)。
最近项目团队进一步比较了一系列N取代哌嗪衍生物在聚合物:富勒烯太阳能电池中的掺杂效果,结果发现只有含N-H基团的掺杂剂可以有效提升器件的稳定性(图4)。他们通过实验测试分析以及量子化学计算理论模拟发现,哌嗪中的N-H可以与PC61BM中的C-O以及富勒烯球形成分子间氢键(图5),这一过程会拉近两分子距离,从而促进分子间的电荷转移过程,抑制了PC61BM三重态的产生及二聚反应。与此同时,计算模拟的结果表明,哌嗪掺杂可以提升P3HT与PC61BM之间的电子转移过程,同时抑制光照下活性层中的能量转移过程(图6),从而在提升器件效率的同时提升了聚合物太阳能电池的稳定性(ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, DOI: 10.1021/acsami.9b23366)。该论文首次从分子层面理解了小分子掺杂剂对聚合物:富勒烯太阳能电池的掺杂作用机制,为其他新型稳定剂的寻找和探究提供了指导,同时也对PSCs的发展有很大意义。中国科学技术大学硕士研究生李泽睿为该文章第一作者,北京师范大学教授谭宏伟在理论计算方面给予了大力支持。
图1 聚合物:富勒烯太阳能电池衰减过程的负载依赖特性(左)及衰减过程的可逆性(右)
图2 结构为ITO/ZnO/P3HT:PC61BM/MoOx/Al的太阳能电池在不同外接负载情况下工作时的能级图。(a) 太阳能电池在光照下的J-V曲线图, (b) 无光照时不同功能层的能级分布, (c) 持续光照下,在不同外接负载条件下的太阳能电池能级分布
图3 哌嗪掺杂活性层同步提升聚合物薄膜电池的光电转换效率和稳定性
图4 哌嗪衍生物与PC61BM作用稳定聚合物太阳能电池器件性能
图5 哌嗪与PC61BM分子间氢键示意图
图6 哌嗪掺杂对活性层电荷转移/能量转移过程的影响