基于低溫溶液制程的聚合物/富勒烯太陽能電池具有獨(dú)特的優(yōu)勢：價(jià)格低、質(zhì)量輕、柔性和半透明，在過去的二十年里引起眾多科研工作者的關(guān)注。但富勒烯及衍生物在可見光和近紅外區(qū)的吸收弱、化學(xué)合成步驟繁瑣、電學(xué)性能和分子結(jié)構(gòu)固定，導(dǎo)致進(jìn)一步提高聚合物/富勒烯太陽能電池的效率受到限制。全聚合物太陽能電池的受體材料是聚合物，具有可見光區(qū)強(qiáng)而寬的吸收，在結(jié)構(gòu)和能級上具有很高的調(diào)控度，所以全聚合物太陽能電池有望代替聚合物/富勒烯太陽能電池。然而到目前為止，全聚合物太陽能電池的最高效率為9.0%，相比于聚合物/富勒烯太陽能電池~13%的效率仍然存在很大的差距。N2200作為全聚合物中最成功的受體材料具有很好的性能和優(yōu)勢，系統(tǒng)研究N2200和富勒烯受體PCBM的差異有利于我們深入了解全聚合物太陽能電池的優(yōu)勢，繼續(xù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)。
最近，蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)研究院的馬萬里教授（點(diǎn)擊查看介紹）課題組系統(tǒng)地報(bào)道了兩種電池體系的差異，詳細(xì)分析了目前全聚合物太陽能電池的電荷產(chǎn)生、分離、輸運(yùn)和復(fù)合的全過程，探討了全聚合物太陽能電池的優(yōu)勢和目前轉(zhuǎn)換效率受限的原因。他們選取了課題組前期報(bào)道的全共軛側(cè)鏈修飾的聚合物PTP8 （Adv. Mater., 2014, 26, 3624-3630）作為給體，系統(tǒng)研究了采用PCBM和N2200作為電子受體的差異。他們前期報(bào)道了基于PTP8/N2200的全聚合物太陽能電池器件（J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 7077-7085），實(shí)現(xiàn)了4.3%的光電轉(zhuǎn)換效率，這也是當(dāng)時(shí)文獻(xiàn)報(bào)道的此類電池的最高值之一。基于聚合物受體N2200的電池器件雖然增強(qiáng)了對太陽光的吸收，但相比于PCBM的器件，器件短路電流并沒有提高，反而呈現(xiàn)明顯的下降(8.8 mA/cm2 vs 11.0 mA/cm2)，填充因子也出現(xiàn)下降(0.52 vs0.59)，這與理論預(yù)期存在很大的差距。他們通過調(diào)研文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，短路電流密度和填充因子的損失是目前全聚合物太陽能電池普遍存在的問題，亟需對此進(jìn)行深入研究。
蘇州大學(xué)袁建宇副研究員等人系統(tǒng)地研究了PTP8/N2200全聚合物太陽能電池中的電荷產(chǎn)生、攝取、傳輸?shù)冗^程，相比于[70]PCBM的電池器件，采用聚合物作為電子受體，器件的空穴和電子遷移率出現(xiàn)明顯下降，電荷產(chǎn)生的過程受到明顯抑制。他們通過與復(fù)旦大學(xué)趙海斌教授課題組合作，采用超快瞬態(tài)吸收光譜，發(fā)現(xiàn)在全電池器件中的激子本征復(fù)合超過50%，而在PCBM電池中激子的本征復(fù)合僅為~7%，成為抑制電池性能的重要原因。雖然激子復(fù)合顯著增強(qiáng)，但全電池器件表現(xiàn)出明顯降低的開路電壓損失（(Eloss =Eg– eVoc），通過材料激發(fā)態(tài)（Ect）測試發(fā)現(xiàn)，全聚合物太陽能電池能有效降低Ect 的損失和非輻射損失，全聚合物電池的Eloss 值為0.53 eV，明顯低于PCBM體系電池的0.78 eV, 這也是目前文獻(xiàn)報(bào)道的有機(jī)太陽能電池開路電壓損失的最小值之一，說明全聚合物太陽能電池理論上可以實(shí)現(xiàn)更高的光電轉(zhuǎn)換效率。
前期廣泛的聚合物/富勒烯研究表明，光敏活性層的形貌與激子的產(chǎn)生、分離和傳輸密切相關(guān)。系統(tǒng)地研究全聚合物體相異質(zhì)結(jié)的薄膜對理解其激子本征復(fù)合增加的原因具有重要意義。結(jié)合原子力顯微鏡(AFM)、透射電子顯微鏡(TEM)、差式掃描量熱(DSC)和先進(jìn)的二維X射線散射(2D-GIWAXS)的形貌表征，我們發(fā)現(xiàn)共軛聚合物在混合薄膜中的分子取向是導(dǎo)致聚合物-聚合物電池器件本征復(fù)合較高的重要原因，電子受體材料N2200在混合物薄膜中的無規(guī)取向分布抑制了電子的傳輸和激子分離，同時(shí)增加了激子本征復(fù)合的幾率。富勒烯分子的電荷傳輸各向同性，導(dǎo)致在聚合物-PCBM薄膜中PCBM的排列和取向?qū)ぷ拥姆蛛x影響較小。而聚合物的傳輸機(jī)制為沿著聚合物共軛主鏈和共軛分子之間的π-π跳躍傳輸，材料的電荷傳輸能力無法實(shí)現(xiàn)各向同性，因此需要給體聚合物和受體聚合物在界面處有一定尺度的結(jié)晶以及合適的分子取向(Face to Face或者是Edge to Edge)，這樣在理論上能實(shí)現(xiàn)激子產(chǎn)生后的高效分離，利用全聚合物吸光能力強(qiáng)的優(yōu)勢，提升電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
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