光明的未來——功能轉換效率為7.4%的本體異質結型聚合物太陽能電池
太陽是個還沒被完全利用的最大的碳中性能源。然而太陽能電池裝置是基於無機半導體去有效地獲得收穫太陽能的，這些轉換的裝置成本太高以至於在經濟上是不可行。這便是有機光伏（opv）材料和器件的開發的主要動機，可以設想到去展示的優點有例如成本低，柔軟性和豐富可用性。
在有機光伏器件將成為無機對應物的乙個重要的替代品上，過去在有機發光二極體上的成功為科學家提供了信心。
opv技術優勢的核心是製造的簡易化，這些在超低成本製造工藝上非常有前景。舉個簡單的例子，尚未成功的的技術是以給電子性的半導體聚合物和吸電子性的富勒烯作為活性層組成的bhj太陽能電池。複合材料的活性層可以大面積的由乙個單一的步驟進行製備，使用的技術有如旋塗，噴墨印刷，噴塗，凹版塗佈，輥鑄造等。
最近的報道稱，在過去的十五年，聚合物bhj太陽能電池pce的提高已經取得乙個顯著的進步，並且實現效率已經從2023年少於1%的ppv系統發展到了2023年4—5%的p3ht系統，實現效率達到了6%。然而，聚合物太陽能電池仍比其無機同行，如矽，cdte和cigs的效率低，而這就阻礙了它在實際應用中的比例。
有許多因素限制了bhj太陽能電池的效能。其中，材料活性層的特性是聚合物太陽能電池總體效能中最為決定性的因素。理想情況下，聚合物應該在太陽光譜中具有較寬的吸收，以保證太陽光子和電荷傳輸高電荷載流子遷移率的有效獲得。
另外，適用能量水平的聚合物需要有相匹配的的富勒烯。該聚合物應具有低的homo能量水平以提供乙個較大的開路電壓(v oc)和乙個合適的lumo能量水平以提供足夠的電荷分離的偏移。此外，該活性復合層的形態起著非常重要的作用。
最重要是，域寬度大約兩倍的雙連續網路的激子擴散長度和高的供體的電子給體/電子受體在介面上的形成，有利於對所分離的電荷以各個電極的激子解離和運輸。大多數迄今為止所報道聚合物都很不理想，它們難以滿足所有這些要求。
我們已經開發了一系列新的基於交替噻吩[3,4-b]並噻吩和苯並二噻吩單元的半導體聚合物。這些聚合物顯示的效能的協同效作用導致了優異的光電效應。噻吩[3,4-b]並噻吩穩定的醌型結構導致1.
6電子伏特的聚合物的低能帶隙在太陽光譜（約700nm）極大的光子通量的區域中表現出高效吸收。所述剛性支柱造成聚合物的良好的空穴遷移率，並且使酯側鏈和苯並二噻吩在有機溶液和合適的混溶性的富勒烯受體具有良好的溶解性。加入氟的噻吩[3,4-b]並噻吩提供的聚合物具有相對低的地勢中最高佔據分子軌道（homo）能級，它提供了增強的voc。
聚合物鏈中被發現被堆疊在由掠入射廣角x射線散射的研究中面朝下的構象在基片上。這是由在充分研究的p3ht的太陽能電池系統中的聚合物取向非常不同的，並且有利於電荷輸送。噻吩[3,4-b]並噻吩和苯並二噻吩聚合物（ptbs）的所有這些優點使得它們成為bhj聚合物/富勒烯太陽能電池的應用的良好候選，而且從乙個ptb4/ pc61 bm的原型裝置中pce已經達到了6.
1％。經過廣泛的結構優化，我們進一步開發出ptb家族中的新聚合物ptb7，表現出了優異的光電效應約7.4％的pce已從ptb7取得/ pc71 bm（參照圖1中的pc 71bmphenyl-c71 - 丁酸甲基酯）太陽能電池裝置，這是第乙個呈現出pce超過7％的聚合物太陽能電池。在此，我們介紹了我們系統地研究的這個新聚合物的光伏效能。
結果表明著這是乙個有著巨大的潛力和光明未來的高分子太陽能電池。
ptb7的結構示於圖1a中。該分支側鏈中的酯和苯並二噻吩呈現在有機溶劑中的聚合物具有良好的溶解性的。ptb7的重均分子量（m w）在多分散性指數（pdi）為2.
1時是97.5kda。ptb7的homo和lumo能級是通過迴圈伏安法（cv）測得的。
這是以二茂鐵在-5.15ev和-3.31ev下校準的（見支援資訊）。
雖然側鏈支化的，但是所述ptb7具有相對高的空穴遷移率，從空間電荷限制的電流測量值（sclc）模型測得約5.8x10 4 cm2 v 1（見支援資訊）。純ptb7膜的吸收光譜示如圖1b所示。
該聚合物從550到750奈米顯示了較強的吸收。然而，從300到500nm的吸收相對較弱。以補償ptb7的吸收，pc71的bm具有在可見光範圍內的強吸收，所以被用作受體。
由此產生的ptb7/ pc71 bm-共混膜從300至約800奈米表現出強的吸收。
太陽能電池的效能是功能性組合物。我們第一次研究該由鄰二氯苯（dcb）旋塗的ptb7/ pc71 bm系統，以優化供體/受體（d / a）比。表1顯示/重量等級相同的旋塗條件（已優化），這導致大約100nm的膜厚度下對太陽能電池效能的影響。
最初的測試結果表明，該裝置用1：1.5重量比的顯示時，表現出了與13.
56macm-2的平均短路電流（jsc）的最佳效能，加入的59.23％因子（ff）之後導致了pce達到6.02％ 。
voc已增加至0.75v時的分子設計，它代表了之前我們達到了原ptb1（0.58v）系統中的34％的預期。
平均pce典型地來自於12個裝置。這三個d / a（重量）比值的最佳效率分別是5.74％（1：
1），6.22％（1：1.
5），和5.58％（1：2）。
在太陽能電池的效能的基礎上，乙個ptb7/pc71 bm-共混物膜的使用比用混合溶劑中製備的薄膜進一步增強。一種混合溶劑的方法已被證明是有效的幾個聚合物太陽能電池系統，包括經典的p3ht以及一些高效率的低帶隙聚合物。在ptb7系統的初步研究表明，ptb7/ pc71 bm-共混膜製備使得填充係數從二氯苯的混合溶劑（dcb）/1,8-二碘辛烷（dio）（97％：
3體積％）的60.25%增加了至68.9％。
圖2顯示了混合溶劑的聚合物太陽能電池效能的影響，資料彙總於表2所示。jsc的提高是比較小的，只有0.14macm-2的增量。
pce從6.22％上公升到7.18％。
然而，如果氯苯（cb）被用作溶劑，10.2macm-2的低電流密度，以及50.52％的低填充因子，我們觀察到，這顯示出3.
92％的pce。這一現象表明，溶劑影響聚合物填料。用3％的dio混合到溶劑中，所得共混物膜的太陽能電池。
jsc被顯著增加到14.5macm-2。同時，填充係數也增加了69％。
它們共同作用導致了7.40％的能量轉換效率，這是迄今為止所報道的聚合物太陽能電池的最佳效果。
光電效能的顯著提高是通過在共混物膜的形態的變化而引起的。透射電子顯微鏡（tem）影象（圖3）清楚地表明，在從cb製備的共混物薄膜中有大面積（直徑為約100-200奈米）的使用，這將減少激子遷移到施主/受主介面以及不利於電荷分離。從cb / dio製備共混物膜的形態是均勻得多，也沒有大的相分離，可見ptb7、 pc71 bm和形成互穿網路之間有著良好混溶性。
基於opv目前的理解，提高形態應該導致ff和jsc的增加。
以cb:dio和dcb:cio裝置作為溶劑的冠軍細胞的外部量子效率(eqe)曲線如圖4a所示。
這兩款裝置都顯示，光轉化效率在400和700nm處都有50％以上的eqe值。在cb：dio裝置中，在630nm處的最大eqe值為68.
1%。這代表了所公開文獻中的低帶隙共軛聚合物系統中有機太陽能電池最高的eqe值之一。在dcb:
dio裝置中的最大eqe值也高，在620nm處它達到了66.6%。這些測量是相當準確的，如進一步檢查過的帶am1.
5g太陽光譜積分的eqe值。冠軍cb：dio裝置計算出的jsc值是14.
16macm-2對比檢測到的14.5macm -2的jsc值，它代表2.3%的誤差。
對dcb:di裝置進行相同的步驟，13.99macm-2的計算jsc值相比於測量值只有1%的誤差。
表2示出了裝置的引數以及計算和測量jsc值和它們的誤差。
我們進一步估算這些細胞的內部量子效率（eqe）。圖4b是那些用於冠軍細胞(cb:dio和 dcb:
dio)的相同條件下的溶於薄膜塗層的單程吸收曲線。吸收僅表示膜的吸收。該估計是基於下面的簡單事實和假設:
i)4％的光損失，在空氣（n=1）中/玻璃表面（n=1.5），b) 金屬被認為是乙個完美的鏡子,即氣相防鏽膜吸收了兩次，以及c) 在實際裝置中忽略玻璃，氧化銦錫（ito）和聚（3,4-亞乙二氧基）：聚（苯乙烯磺酸）pedot：
pss的吸收。因此實際上iqe值被沒低估了。dcb:
dio和 cb:dio的冠軍細胞的iqe估值如圖4c所示。在cb:
dio冠軍細胞中，iqe光譜在寬至420到660nm的範圍內示出了乙個非常高的超過90%的值。最大iqe值達到了92%。iqe資料的寬和高明確證明新聚合物系統的質量非常高。
在這個系統中，激子解離、供體和受體網路中的電荷傳輸以及有機/電極介面的電荷提取和電荷提取都非常接近100％。這些事實意味著共混膜的形態接近與理想供體和受體的奈米級互穿網。進一步調查正在進行新系統的形態解碼。
在dcb：dio系統中的iqe值比最高值為83.2%的cb:
dio系統低大約10%。然而，在dcb:dio系統中我們確實觀察到乙個四氯乙烯弱厚度依賴，這可能意味著更高的iqe值。
認證實驗是在不遠的將來進行，進一步的結果將公布出來。
綜上所述，我們已經成功地開發出新的優良半導體聚合物ptb7。基於所述bhj太陽能電池混合ptb7的電影與pc71 bm表現出效率達到7.4％，這是第乙個示出的四氯乙烯超過7％的聚合物太陽能電池系統。
從這種太陽能電池得到兩者的eqe和iqe 都非常高。這意味著太陽能的收穫非常高效。結果證實， 噻吩[3,4-b]並噻吩聚合物是有希望開發高效能聚合物太陽能電池的一類材料。
實驗聚合物ptb7根據先前報道的方法[5a]合成。對於ptb7的光電特性進行了研究從ito/ pedot的組織上： pss/polymer (pc 71 bm)/ca/al進行了研究。
ito膜的玻璃基板（15ω-1）依次在水、丙酮和異丙醇中進行15分鐘超聲清洗，隨後置於烘箱中烘乾數小時。將一薄層（~30nm）的pedot:pss (baytron p vp a1 4083) 旋塗在經紫外線臭氧等離子體15分鐘預處理過的清潔的ito表面。
由於pedot：pss的橫向導電率，低導電pedot：pss被選擇從器件區域中將測量誤差最小化。
之後在120℃下被烘烤約20分鐘，此時基片被轉移成含氮的由活性層塗層和電極形成手套式操作箱（<0.1ppm的o 2和h2 o）。然後該裝置在手套式操作箱中密封後的空氣中進行測試。
顯微鏡觀察下器件區域被確定為長約10.0平方公釐。該薄膜的厚度的用dektek ii表面光度儀測定。
電流密度 - 電壓（j-v）的曲線是使用keithley2400源測量單元測量的。光電流是在am 1.5g照度每100 mw cm2的紐波特熱凸肚91192 1000 w太陽能模擬器（4英吋×4英吋光束尺寸）下測量得到的。
光強度是由乙個單矽檢測器（kg-5可見彩色濾波器）來確定的，這台儀器是由美國國家可再生能源實驗室（nrel）校準以減小光譜失配。收集的eqe資料之後，我們根據標準程式[15]，使用了乙個標準am1.5g光譜，乙個凸窗太陽模擬器（1.
5g的濾波器）的頻譜，並且兩個參考單元的eqe資料和測試過的聚合物太陽能電池來計算光譜失配因子。然後用0.96不匹配因數去獲得正確jsc和功率轉換效率。
eqe測試是使用的是pv測試公司（博爾德，科羅拉多）的eqe系統（型號qex7）。收集完eqe的資料後，這個軟體也結合了am1.5g光譜和報告計算j sc價值，這樣有用於檢查測量的精確度。
我們比較了從eqe中匯出的sc和從我們冠軍細胞測試的j-v中的光譜失配校正sc。對於確定裝置效率的實驗程式的細節在支援資訊中已經給出。
高分子材料工程專業英語翻譯全
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