有机聚合物太阳能电池

ulesimuqa

工程降低了HOMO能级，增强了链间相互作用，提高了空穴迁移率，使基于这类聚合物为给体、ITIC为受体的非富勒烯聚合物太阳能电池的能量转换效率达到11.4%。目前，实验室小面积器件能量转换效率已突破12%，可以向应用阶段发展。该项研究所取得的全新进展和突破，对于重新认识有机聚合物太阳能电池中的激子电荷分离的驱动力具有重要意义，也为将来的高效共轭聚合物给体光伏材料的分子设计提供了一种新思路和新途径，将对有机光伏领域的发展起到促进作用。
有机聚合物太阳能电池（Polymer Solar Cell，PSC）是一般由共轭聚合物给体（如聚3-己基噻吩（P3HT）}和富勒烯（PCBM）衍生物（或非富勒烯聚合物）受体的共混膜（作为光敏活性层）夹在ITO（氧化铟锡）透光电极（正极）和金属负极之间所组成的太阳能电池。有机聚合物太阳能电池的工作原理是利用有机化合物从阳光产生电能：当光透过ITO电极照射到活性层上时，活性层中的共轭聚合物给体吸收光子产生激子（电子-空穴对），激子迁移到聚合物给体/受体界面处，在那里激子中的电子转移给电子受体PCBM的最低未占有分子轨道（LUMO）能级，空穴则保留在聚合物给体最高占有分子轨道（HOMO）能级上，从而实现光生电荷分离，然后在电池内部势场（其大小正比于正负电极的功函数之差、反比于器件活性层的厚度）的作用下，被分离的空穴沿着共轭聚合物给体形成的通道传输到正极，而电子则沿着受体形成的通道传输到负极。空穴和电子分别被相应的正极和负极收集以后形成光电流和光电压，即产生光伏效应。
PSC具有清洁环保、原料广、可大面积制造、成本低、光伏材料可自行设计合成以及可制备成柔性器件等诸多优点，尤其是薄、轻、柔是无机半导体太阳电池不可替代的优点，成为近年来国际上前沿科学的研究热点之一。有机聚合物材料种类繁多，可设计性强，有希望通过结构和材料的改性来提高太阳能电池的性能；而聚合物半导体材料可以溶解在有机溶剂中形成“电子墨水”，之后通过丝网印刷、喷墨打印、卷对卷等溶液加工法制成薄膜光电器件；溶液法加工工艺可以实现聚合物太阳能电池低成本、高通量的制备，同时提供传统无机太阳能电池所不具备的柔性、轻便等优点和特性，使聚合物太阳能电池作为清洁可再生能源具有重要的商业应用价值。
被《科普中国-科技名家风采录》描述为“光能转化探索者”的李永舫院士表示：“最大的愿望就是实现有机聚合物太阳能电池的应用，那么我这一辈子的工作，就没有白做”。他下一步的研究目标是解决有机聚合物太阳能电池稳定性和大面积制备的技术难题，达到大规模产业化应用，让人们使用更轻便清洁的有机太阳能电池。